2022年IGBT的关断与接通2 .pdf

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1、IGBT 的关断与接通都存在一些的问题关断的问题 :1. 关断损耗2. 关断过电压3. 关断过程中微分热阻带来的局部热击穿接通的问题 :1. 并联 ZVS 电容下接入的时机2. 共态导通问题3. 反向恢复的问题借助串联谐振回路,使得IGBT 的工作条件大为改善: 1. 串联全谐振变换器曾经是上世纪60-70年代最流行的变换器,只要给出合适的死区时间, 即可实现很好的软开关变换. 现代的数控技术给这一经典的变换电路增添了不少活力,在控制方面解决了很多以前难以克服的困难,工程上应用它的关键技术问题有三个: . ZCS 频率追踪控制(随负载、电源漂移而调整工作频率,让换相始终处于接近零电流下的弱感性

2、 ) . ZVS 死区追踪控制(因负载电流不同而调整死区, 实现零电压接通,接近零电压关断) . ZCS_ZVS 交替追踪控制(既实现频率追踪又实现动态死区,具有良好的开关过度与调功特性) 2. 关断过压问题; 既使 ZVS 电容较大 (103),当分布电感较大时在荷载下关断,仍然会在开关上激起高于电源几百伏的浪涌电压,震荡频率大约能达到几兆,震荡衰减很快,但强烈的震荡也给开关带来了显著的额外损耗,改善的关键措施在于降低分布电感、放置较大的浪涌电流吸收电容 (105-106); 荷载下关断过压1 (ZVSC=103) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - -

3、欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 荷载下关断过压2 (ZVSC=103) 3. ZVS 初步设定 ; 假设IGBT 下降时间为180nS ,那么荷载下的过渡时间应设为多少?比如过渡时间设定为1 - 1.5uS ,当然关断损耗比较小,但是这样的话, 在空载下不能实现软过渡,看到了严重的硬开通; 空载下严重的硬开通, 散热器很快就烫手了(ZVSC=104) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 28

4、 页 - - - - - - - - - - 荷载下的良好过渡(ZVSC=104) 荷载下的艰难过渡1 ( 由于过度太快,关断损耗大ZVSC=223) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 荷载下的艰难过渡2 ( 由于过度太快,关断损耗大ZVSC=223) 4. ZVS 关断损耗问题在最坏情况下, 初级电流波形是锯齿波,关断完全发生在最高的峰值处 ,IGBT的关断损耗可能达到整个开关损耗的90% 以上 ; 如果没有ZVS 过程 ,那么

5、 IGBT甚至没有 VMOS 的输出平均功率大!然而我最近不仅学会了使用ZVS 过程 , 而且把它继续推进到了精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 几乎让人难以置信的程度-我将 CBB474直接并联到IGBT上进行缓冲 ; 荷载关断过程( V 只有30V 小浪涌电压 ZVSC=474) 在相同时基下的空载关断过程 (ZVSC=474) 5. ZVS 下的硬接通问题; 硬接通问题是一个较难处理的问题.在没有荷载的情况下,焊机精品资料 -

6、 - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 长时间工作 ,察看一下散热器的温度, 马上就意识到问题的严重性,有时空载下居然达到了温度开关保护的程度!虽然IGBT 硬接通要比硬关断坚强地多,但是来不及散出的热量就直接威胁到了关断过程的安全.处理这一问题的关键在于实现动态死区; 空载下含有很少量硬开通的过渡1 (ZVSC=103) 空载下含有很少量硬开通的过渡2 (ZVSC=103) 空载下几乎没有硬开通的过渡2 (ZVSC=103) 精品资料 - - -

7、 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 空载下几乎没有硬开通的过渡3 (ZVSC=103) 较好的过渡 (ZVSC=103) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 含有硬接通的过渡(ZVSC=103) 良好的ZVS 过渡一定是线性的(ZVSC=103) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - -

8、- - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 6. ZVS 动态死区超越固定死区的桎喾、超越小ZVS 电容的束缚 ,放置 ZVS 电容 104 ,使边沿谐振的关断与接通不再残酷! 空载下的慢过渡1 (5uS) (ZVSC=104+103) 荷载下的快过渡1 (750nS) (ZVSC=104+103) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 28 页 - - - - - - -

9、 - - - 空载下的慢过渡2 (5uS) (ZVSC=104+103) 荷载下的快过渡2 (750nS) (ZVSC=104+103) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 7. ZVS 动态死区超越固定死区的桎喾、超越小ZVS电容的束缚 ,放置 ZVS电容 474 ,使边沿谐振的关断与接通不再残酷! 动态死区可以做到25uS 以上 , 感亢降压模式可以极高的开关效率连续工作; 良好的空载过渡1 (ZVSC=474) 精品资料 -

10、 - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 良好的空载过渡2 (ZVSC=474) 良好的空载过渡3 (ZVSC=474) 荷载载过渡1 (ZVSC=474) 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 荷载载过渡2 (ZVSC=474) 相同时基下的对比-空载过渡(ZVSC=474) 精品资料

11、 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 28 页 - - - - - - - - - - ZVS 电压与电流的相位关系8. 串联谐振 _ZVS 模式三角波电流激励负载, 谐波分量高于正玄波;选择合适的隔直电容, 避免发生容性换向,输出电流靠初级感亢降压抑制,借助于重ZVS 缓冲过程和动态死区控制,可实现很高的转换效率; 缺点有 :1. 调频范围太宽, 产生一些意想不到的问题,如进入可闻声限等;2.精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳

12、- - - - - - - - - -第 14 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 初级有无功电流,回路利用率不够高;3. 当初级电感太小时,可能因负载抖动产生很高的di/dt ,威胁到IGBT 的安全 ;4. 一个十分重要的问题是减小流过IGBT 无功功率的问题,显然在有限容量的开关器件中存在无功分量减小了可用功率,无功电流与无功电压都是重要的因素,但是完全失去无功分量后,就不存在“软开关”了,ZVS方式减小了开关损耗, 但是却没有设法减小无功功率分量 ; 电容部分放电后的变压器( 及附加电感 ) 电压 (电容 206) 负载回路的电流( 互感器0.1A/mV) 精品资

13、料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 15 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 9. 串联谐振 _ZCS 模式很好的正玄波电流激励负载, 谐波分量最少; 让电容与电感发生少量或深度的的串联谐振, 换向在荷载下趋向于ZCS-ZVS ,既使只使用简单的固定死区时间,只要给出的死区余量较大, 也能极大地改善IGBT 在重功率下的换向条件; 这是实现重功率的主要手段,实现良好的换相条件需要谐振电容的峰值电压等于激励电压的5-7倍,震荡频率谱系很纯,频率漂移也不快 ,非常适合数控,相信这是

14、当今技术条件下实现重功率变换的唯一策略; 在深度谐振下的电感电压以及换向时机( 输入经过 100:1电压互器 ) 在深度谐振下的电感电压与次级输出电容电压CH1: 次级输出电容电压CH2: 初级电感电压(输入经过100:1电压互器 ) 频率追踪01 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 16 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 频率追踪02 频率追踪03 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - -

15、- - - -第 17 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 频率追踪04 频率追踪05 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 18 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 频率追踪06 频率追踪07 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 19 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 频率追踪08 频率追踪09 精品资料 - - - 欢迎下载

16、 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 20 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 频率追踪10 频率追踪11 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 21 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 频率追踪12 10. 串联谐振ZCS_ZVS 交替追踪控制模式ZCS 频率追踪、ZVS 辅助换相、调频调功;综合了ZVS 与 ZCS 的优点 ,适合广泛的应环境, 易于调功 , 折衷地考虑开关损耗与

17、谐振损耗,非常灵活 ; 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 22 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 电流波形1 电流波形2 电流波形3 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 23 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 电压波形1 电压波形2 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - -

18、- - - - - -第 24 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 电压波形3 11. 设计自己的嵌入性控制系统进入实验历程在串联谐振变换实验中,我一直坚持使用18V 的峰值电平来驱动IGBT的开启与关闭; 我的逆变实验从2003年的下半年开始,虽然经历了无数的挫折,但是我始终相信这一驱动电平没有问题,精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 25 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 一直到现在 ,我还是这个观点; 最近IR 新型的 IGBT栅极击穿电压界

19、限达到了30V ,看来栅极驱动电压可能还要更高一些; 高的驱动电压是减小导通损耗的有效手段,导通损耗热量是非常显著的, 通常一个单管都达到70W以上 ; 当然也只有在开关损耗很小的情况下才出现,否则将忙于应付开关损耗带来的可靠性问题,而无暇顾及这导通损耗了; 驱动波形1 驱动波形2 实现目标的基础问题1. 实现在重功率下深度谐振,降低换向时开关应力,并实施频率追踪以充分降低串联谐振回路的复阻抗来降低无功功率; 2. 实现在几乎所有情况下, 换向时负载回路都呈感性; 3. 实现在不同负载下的动态死区调节,以减少空载、小载下的接通损耗; 实际上难以克服的困难: 1. 谐振回路的问题很多 a. 谐振

20、电容器发热严重,电压也很高 ,经常爆浆、炸裂 b. 电感器的绕组因趋肤效应导致异常发热严重 c. 电感器使用闭磁路不能实现,开磁路又对周围元件影响严重 d. 电感器用铁粉芯类磁芯无法连续工作精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 26 页，共 28 页 - - - - - - - - - - e. 电感器用铁氧体类磁芯太易于饱和2. 当负载抖动严重时, 变压器时常工作处于饱和边界之外,发出难以忍受的尖叫声音3. 当需要实现的目标功率小时就很不划算: 控制本身复杂、用料成本高、体积也不能做太小选择它

21、的理由: 1. 重功率变换的必经之路, 静电除尘、高频点焊、功率超声等唯一可选电路结构2. 可靠性高3. 功率可扩展性强,功率轻松扩展到兆瓦级,理由是很容易通过多个独立谐振回路多相合成,均流误差 可靠性 可扩展性 成本精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 27 页，共 28 页 - - - - - - - - - - 文档编码：KDHSIBDSUFVBSUDHSIDHSIBF-SDSD587FCDCVDCJUH 欢迎下载 精美文档欢迎下载 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 28 页，共 28 页 - - - - - - - - - -