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IGBT無(wú)損緩沖吸收電路設計

1 IGBT無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò )
工作在硬開(kāi)關(guān)方式下的IGBT,若不斷地提高其工作頻率會(huì )引起以下問(wèn)題。   
1)開(kāi)關(guān)損耗大。開(kāi)通時(shí),開(kāi)關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行;關(guān)斷時(shí),電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)損耗,該損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而急速增加。文章來(lái)源:http://www.kdollshair.com/il/221.html
2)感性關(guān)斷電壓尖峰大。當器件關(guān)斷時(shí),電路中的感性元件感應出尖峰電壓。開(kāi)關(guān)頻率愈高,關(guān)斷愈快,該感應電壓愈高。此電壓加在開(kāi)關(guān)器件兩端,易造成IGBT模塊擊穿。
3)容性開(kāi)通電流尖峰大。當開(kāi)關(guān)器件在很高的電壓下開(kāi)通時(shí),儲存在開(kāi)關(guān)器件結電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內。頻率愈高,開(kāi)通電流尖峰愈大,從而會(huì )引起IGBT器件過(guò)熱損壞。另外,二極管由導通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在著(zhù)反向恢復期,開(kāi)關(guān)管在此期間的開(kāi)通動(dòng)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(zhù)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?chē)娮釉O備的工作。
上述問(wèn)題嚴重妨礙了開(kāi)關(guān)器件工作頻率的提高,降低變換器的效率,并危及開(kāi)關(guān)器件的安全可靠工作。近年來(lái)開(kāi)展的軟開(kāi)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(kāi)關(guān)工方式與硬開(kāi)關(guān)工作方式不同,理想的零電流軟關(guān)斷過(guò)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(wèn)題。理想的零電壓軟開(kāi)通過(guò)程是電壓先降到零后,電流再緩慢上升到通態(tài)值,所以開(kāi)通損耗近似為零,器件結電容上的電壓亦為零,解決了容性開(kāi)通問(wèn)題。同時(shí),開(kāi)通時(shí)二極管反向恢復過(guò)程已經(jīng)結束,因此二極管反向恢復問(wèn)題亦不存往。di/dt和du/dt的降低使得EMI問(wèn)題得以解決。
軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電容與電感緩沖吸收原理,使開(kāi)關(guān)器件中電流(或電壓)按正弦或準正弦規律變化。當電流過(guò)零時(shí),使器件關(guān)斷;當電壓過(guò)零時(shí),使器件開(kāi)通-實(shí)現開(kāi)關(guān)損耗為零。
軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在改善功率開(kāi)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(shí)現了開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān),使開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流應力減小,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部的IGBT單元的過(guò)電壓和du/dt或者過(guò)電流和di/dt,同時(shí)減小IGRT的開(kāi)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模塊內部并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)集成這部分電路,因此,在實(shí)際的系統中設有緩沖電路,通過(guò)電容可把過(guò)電壓的電磁能量變成靜電能量?jì)Υ嫫饋?lái),電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。如果沒(méi)有緩沖電路,器件在開(kāi)通時(shí)電流會(huì )迅速上升,di/dt也很大,關(guān)斷時(shí)du/dt很大,并會(huì )出現很高的過(guò)電壓,極易造成IGBT器件損壞。
有源緩沖電路通過(guò)增添輔助開(kāi)關(guān)以減少開(kāi)關(guān)損耗,但這也增加了主電路和控制電路的復雜程度,從而降低了性?xún)r(jià)比,也降抵了可靠性。RCVD緩沖電路雖然結構最簡(jiǎn)單,價(jià)格最便宜,但由于電阻消耗了能量,效率較低,在各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中性能最差。而諧振變換器雖然實(shí)現了ZVS或ZCS,減少了開(kāi)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(kāi)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(wú)源無(wú)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(jià)低、性能好、可靠性高,因而獲得了廣泛的應用。
無(wú)源無(wú)損緩沖電路雖然無(wú)法像有源軟開(kāi)關(guān)方案那樣,在超前或滯后主開(kāi)關(guān)的控制時(shí)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(guò)將開(kāi)關(guān)期間的電壓與電流波形錯開(kāi),使二者的重疊面積最小,可以顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗。雖然開(kāi)關(guān)器件內寄生結電容的放電損耗無(wú)法被無(wú)源無(wú)損緩沖電路所消除,但此種損耗較其他開(kāi)關(guān)損耗低得多,對于提高整體效率影響較小。無(wú)源無(wú)損緩沖電路和其他軟開(kāi)關(guān)方案相比,沒(méi)有增加額外的輔助有源器件損耗,因此,在同樣的開(kāi)關(guān)損耗功率降低的情況下,無(wú)源無(wú)損緩沖電路可以獲得更高的效率提高。所以,無(wú)源無(wú)損緩沖電路被廣泛地應用于PWM變換器中。
無(wú)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(jìn)行再利用,能量傳輸的方式多是反饋給電源或負載,或是在吸收網(wǎng)絡(luò )內部循環(huán)。下圖所示的無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò )包括CDE電容模塊、二極管VD3以及電感L1,其中電容模塊內封裝兩單元無(wú)感突波緩沖電容C1、C2與超快恢復緩沖二極管VD1、VD2。
IGBT無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò )
IGBT關(guān)斷時(shí)電路開(kāi)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流通路,IGBT集電極電流逐漸減小。當C2充電到U,C1放電到零時(shí),VD3關(guān)斷,感性負載中的電流流過(guò)主續流二極管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的電壓應力,同時(shí)集電極電流轉移到了緩沖電路,從而降低了關(guān)斷功耗。
IGBT開(kāi)通時(shí),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(guò)L1和VD2紿C1充電。當C2放電到零時(shí),C1充電到U,電感L1中的電流為零,串聯(lián)的二極管VD2截止,諧振結束,C1儲存能量,為IGBT關(guān)斷作準備。在這一開(kāi)通期間,由于負載電感L、集電板母線(xiàn)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的電流應力,同樣也降低了開(kāi)通功耗。這樣,緩沖電路不僅降低了器件的開(kāi)關(guān)損耗,而且降低了器件所承受的電壓、電流應力。
2.拓撲分類(lèi)
在過(guò)去的幾十年里,出現了許多不同的無(wú)源無(wú)損緩沖電路的拓撲結構,它們可以用一套屬性來(lái)描述。為此,可劃分為兩類(lèi):一類(lèi)是最小電壓應力單元(MVS),如下圖 (a)、(b)所示;另一類(lèi)是非最小電壓應力單元(Non-MVS),如圖 (c)、(d)、(e)、(f)所示。最小電壓應力單元僅使用一個(gè)電感和電容值較小的電容就能使主開(kāi)關(guān)管電壓應力最小,但實(shí)現軟開(kāi)關(guān)的范圍不大;非最小電壓應力單元增加了一個(gè)電感,同時(shí)也增加了主開(kāi)關(guān)管的電壓應力,但與最小電壓應力單元相比,在同樣的電感和電容下,其軟開(kāi)關(guān)范圍較大,而且在小功率情況下具有較高的效率。
無(wú)源無(wú)損緩沖電路拓撲結構
無(wú)源無(wú)損緩沖電路拓撲結構
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