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IGBT無損緩沖吸收電路設(shè)計

1 IGBT無損吸收網(wǎng)絡(luò)
工作在硬開關(guān)方式下的IGBT,若不斷地提高其工作頻率會引起以下問題。   
1)開關(guān)損耗大。開通時,開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時進行;關(guān)斷時,電壓上升和電流下降同時進行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗,該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。文章來源:http://awcss.com/il/221.html
2)感性關(guān)斷電壓尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時,電路中的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓。開關(guān)頻率愈高,關(guān)斷愈快,該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端,易造成IGBT模塊擊穿。
3)容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時,儲存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高,開通電流尖峰愈大,從而會引起IGBT器件過熱損壞。另外,二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在著反向恢復(fù)期,開關(guān)管在此期間的開通動作易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高,該沖擊電流愈大,對器件的安全運行造成危害。
4)電磁干擾嚴重。隨著頻率提高,電路中的di/dt和du/dt增大,從而使電磁干擾增大,影響變換器和周圍電子設(shè)備的工作。
上述問題嚴重妨礙了開關(guān)器件工作頻率的提高,降低變換器的效率,并危及開關(guān)器件的安全可靠工作。近年來開展的軟開關(guān)技術(shù)研究為克服上述缺陷提供了一條有效途徑。軟開關(guān)工方式與硬開關(guān)工作方式不同,理想的零電流軟關(guān)斷過程是電流先降到零,電壓再緩慢上升到斷態(tài)值,所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已下降到零,解決了感性關(guān)斷問題。理想的零電壓軟開通過程是電壓先降到零后,電流再緩慢上升到通態(tài)值,所以開通損耗近似為零,器件結(jié)電容上的電壓亦為零,解決了容性開通問題。同時,開通時二極管反向恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束,因此二極管反向恢復(fù)問題亦不存往。di/dt和du/dt的降低使得EMI問題得以解決。
軟開關(guān)技術(shù)實際上是利用電容與電感緩沖吸收原理,使開關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時,使器件關(guān)斷;當(dāng)電壓過零時,使器件開通-實現(xiàn)開關(guān)損耗為零。
軟開關(guān)技術(shù)在改善功率開關(guān)器件工作狀態(tài)方面效果明顯,使電力變換器的高頻化成為可能,提高了功率器件工作的可靠性和安全性,實現(xiàn)了開關(guān)器件的軟開關(guān),使開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力減小,在減小電力變換器的體積、重量以及降低電磁干擾方面效果明顯。
1.緩沖吸收原理
緩沖電路(阻容吸收電路)主要用于抑制模塊內(nèi)部的IGBT單元的過電壓和du/dt或者過電流和di/dt,同時減小IGRT的開關(guān)損耗。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率、體積都較大,所以在IGBT模塊內(nèi)部并沒有專門集成這部分電路,因此,在實際的系統(tǒng)中設(shè)有緩沖電路,通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲存起來,電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。如果沒有緩沖電路,器件在開通時電流會迅速上升,di/dt也很大,關(guān)斷時du/dt很大,并會出現(xiàn)很高的過電壓,極易造成IGBT器件損壞。
有源緩沖電路通過增添輔助開關(guān)以減少開關(guān)損耗,但這也增加了主電路和控制電路的復(fù)雜程度,從而降低了性價比,也降抵了可靠性。RCVD緩沖電路雖然結(jié)構(gòu)最簡單,價格最便宜,但由于電阻消耗了能量,效率較低,在各種軟開關(guān)技術(shù)中性能最差。而諧振變換器雖然實現(xiàn)了ZVS或ZCS,減少了開關(guān)損耗,但諧振能量必須足夠大,才能創(chuàng)造ZVS或ZCS條件,而且諧振電路中循環(huán)電流較大,還必須在特定的軟開關(guān)控制器的控制信號下工作,增加了通態(tài)損耗和成本,降低了可靠性。與這三種方法不同,無源無損緩沖電路既不使用有源器單,效率與有源緩沖電路、諧振變換器一樣高,電磁干擾小、造價低、性能好、可靠性高,因而獲得了廣泛的應(yīng)用。
無源無損緩沖電路雖然無法像有源軟開關(guān)方案那樣,在超前或滯后主開關(guān)的控制時序下吸收能量或供給能量,以創(chuàng)造出真正的ZVS或ZCS條件,但它通過將開關(guān)期間的電壓與電流波形錯開,使二者的重疊面積最小,可以顯著降低開關(guān)損耗。雖然開關(guān)器件內(nèi)寄生結(jié)電容的放電損耗無法被無源無損緩沖電路所消除,但此種損耗較其他開關(guān)損耗低得多,對于提高整體效率影響較小。無源無損緩沖電路和其他軟開關(guān)方案相比,沒有增加額外的輔助有源器件損耗,因此,在同樣的開關(guān)損耗功率降低的情況下,無源無損緩沖電路可以獲得更高的效率提高。所以,無源無損緩沖電路被廣泛地應(yīng)用于PWM變換器中。
無損吸收網(wǎng)絡(luò)能夠把從輸入或輸出電路中吸收的能量進行再利用,能量傳輸?shù)姆绞蕉嗍欠答伣o電源或負載,或是在吸收網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部循環(huán)。下圖所示的無損吸收網(wǎng)絡(luò)包括CDE電容模塊、二極管VD3以及電感L1,其中電容模塊內(nèi)封裝兩單元無感突波緩沖電容C1、C2與超快恢復(fù)緩沖二極管VD1、VD2。
IGBT無損吸收網(wǎng)絡(luò)
IGBT關(guān)斷時電路開始工作,負載電流經(jīng)二極管VD1向緩沖電容C2充電,電容C1(導(dǎo)通期間已充電至U)經(jīng)VD3放電,能量反饋給負載,并提供負載電流的續(xù)流通路,IGBT集電極電流逐漸減小。當(dāng)C2充電到U,C1放電到零時,VD3關(guān)斷,感性負載中的電流流過主續(xù)流二極管VD4。由于電容C2兩端電壓不能瞬態(tài)突變,所以有效地限制了IGBT集電極電壓上升率du/dt,降低了IGBT的電壓應(yīng)力,同時集電極電流轉(zhuǎn)移到了緩沖電路,從而降低了關(guān)斷功耗。
IGBT開通時,二極管VD1、VD3關(guān)斷,C2、L1、C1組成諧振電路,U施加到吸收網(wǎng)絡(luò)電感L1的兩端,電流從C2通過L1和VD2紿C1充電。當(dāng)C2放電到零時,C1充電到U,電感L1中的電流為零,串聯(lián)的二極管VD2截止,諧振結(jié)束,C1儲存能量,為IGBT關(guān)斷作準(zhǔn)備。在這一開通期間,由于負載電感L、集電板母線電感、各種雜散電感以及L1對集電極電流的限流作用,有效地限制了IGBT集電極電流七升率di/dt,降低IGBT的電流應(yīng)力,同樣也降低了開通功耗。這樣,緩沖電路不僅降低了器件的開關(guān)損耗,而且降低了器件所承受的電壓、電流應(yīng)力。
2.拓撲分類
在過去的幾十年里,出現(xiàn)了許多不同的無源無損緩沖電路的拓撲結(jié)構(gòu),它們可以用一套屬性來描述。為此,可劃分為兩類:一類是最小電壓應(yīng)力單元(MVS),如下圖 (a)、(b)所示;另一類是非最小電壓應(yīng)力單元(Non-MVS),如圖 (c)、(d)、(e)、(f)所示。最小電壓應(yīng)力單元僅使用一個電感和電容值較小的電容就能使主開關(guān)管電壓應(yīng)力最小,但實現(xiàn)軟開關(guān)的范圍不大;非最小電壓應(yīng)力單元增加了一個電感,同時也增加了主開關(guān)管的電壓應(yīng)力,但與最小電壓應(yīng)力單元相比,在同樣的電感和電容下,其軟開關(guān)范圍較大,而且在小功率情況下具有較高的效率。
無源無損緩沖電路拓撲結(jié)構(gòu)
無源無損緩沖電路拓撲結(jié)構(gòu)
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