IGBT_的關(guān)斷與接通

IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 IGBT 的關(guān)斷與接通都存在一些的問題 關(guān)斷的問題 1 關(guān)斷損耗 2 關(guān)斷過電壓 3 關(guān)斷過程中微分熱阻帶來的局部熱擊穿 接通的問題 1 并聯(lián) ZVS 電容下接入的時機(jī) 2 共態(tài)導(dǎo)通問題 3 反向恢復(fù)的問題 借助串聯(lián)諧振回路 使得 IGBT 的工作條件大為改善 1 串聯(lián)全諧振變換器曾經(jīng)是上世紀(jì) 60 70 年代最流行的變換器 只要給出合適的死區(qū)時間 即 可實(shí)現(xiàn)很好的軟開關(guān)變換 現(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)給這一經(jīng)典的變換電路增添了不少活力 在控制方面 解決了很多以前難以克服的困難 工程上應(yīng)用它的關(guān)鍵技術(shù)問題有三個 ZCS 頻率追蹤控制 隨負(fù)載 電源漂移而調(diào)整工作頻率 讓換相始終處于接近零電流下的弱 感性 ZVS 死區(qū)追蹤控制 因負(fù)載電流不同而調(diào)整死區(qū) 實(shí)現(xiàn)零電壓接通 接近零電壓關(guān)斷 ZCS ZVS 交替追蹤控制 既實(shí)現(xiàn)頻率追蹤又實(shí)現(xiàn)動態(tài)死區(qū) 具有良好的開關(guān)過度與調(diào)功特 性 2 關(guān)斷過壓問題 既使 ZVS 電容較大 103 當(dāng)分布電感較大時在荷載下關(guān)斷 仍然會在 開關(guān)上激起高于電源幾百伏的浪涌電壓 震蕩頻率大約能達(dá)到幾兆 震蕩衰減很快 但強(qiáng)烈的震蕩 也給開關(guān)帶來了顯著的額外損耗 改善的關(guān)鍵措施在于降低分布電感 放置較大的浪涌電流吸收 電容 105 106 荷載下關(guān)斷過壓 1 ZVSC 103 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 荷載下關(guān)斷過壓 2 ZVSC 103 3 ZVS 初步設(shè)定 假設(shè) IGBT 下降時間為 180nS 那么荷載下的過渡時間應(yīng)設(shè)為多少 比如過渡時間設(shè)定為 1 1 5uS 當(dāng)然關(guān)斷損耗比較小 但是這樣的話 在空載下不能實(shí)現(xiàn)軟過 渡 看到了嚴(yán)重的硬開通 空載下嚴(yán)重的硬開通 散熱器很快就燙手了 ZVSC 104 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 3 荷載下的良好過渡 ZVSC 104 荷載下的艱難過渡 1 由于過度太快 關(guān)斷損耗大 ZVSC 223 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 4 荷載下的艱難過渡 2 由于過度太快 關(guān)斷損耗大 ZVSC 223 4 ZVS 關(guān)斷損耗問題 在最壞情況下 初級電流波形是鋸齒波 關(guān)斷完全發(fā)生在最高的峰 值處 IGBT 的關(guān)斷損耗可能達(dá)到整個開關(guān)損耗的 90 以上 如果沒有 ZVS 過程 那么 IGBT 甚至沒有 VMOS 的輸出平均功率大 然而我最近不僅學(xué)會了使用 ZVS 過程 而且把它繼續(xù)推進(jìn) IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 5 到了幾乎讓人難以置信的程度 我將 CBB474 直接并聯(lián)到 IGBT 上進(jìn)行緩沖 荷載關(guān)斷過程 V 只有 30V 小浪涌電壓 ZVSC 474 在相同時基下的空載關(guān)斷過程 ZVSC 474 5 ZVS 下的硬接通問題 硬接通問題是一個較難處理的問題 在沒有荷載的情況下 焊機(jī) IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 6 長時間工作 察看一下散熱器的溫度 馬上就意識到問題的嚴(yán)重性 有時空載下居然達(dá)到了溫度開 關(guān)保護(hù)的程度 雖然 IGBT 硬接通要比硬關(guān)斷堅強(qiáng)地多 但是來不及散出的熱量就直接威脅到了 關(guān)斷過程的安全 處理這一問題的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)動態(tài)死區(qū) 空載下含有很少量硬開通的過渡 1 ZVSC 103 空載下含有很少量硬開通的過渡 2 ZVSC 103 空載下幾乎沒有硬開通的過渡 2 ZVSC 103 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 7 空載下幾乎沒有硬開通的過渡 3 ZVSC 103 較好的過渡 ZVSC 103 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 8 含有硬接通的過渡 ZVSC 103 良好的 ZVS 過渡一定是線性的 ZVSC 103 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 9 6 ZVS 動態(tài)死區(qū) 超越固定死區(qū)的桎嚳 超越小 ZVS 電容的束縛 放置 ZVS 電容 104 使邊沿諧振的關(guān)斷與接通不再殘酷 空載下的慢過渡 1 5uS ZVSC 104 103 荷載下的快過渡 1 750nS ZVSC 104 103 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 0 空載下的慢過渡 2 5uS ZVSC 104 103 荷載下的快過渡 2 750nS ZVSC 104 103 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 1 7 ZVS 動態(tài)死區(qū) 超越固定死區(qū)的桎嚳 超越小 ZVS 電容的束縛 放置 ZVS 電容 474 使邊沿諧振的關(guān)斷與接通不再殘酷 動態(tài)死區(qū)可以做到 25uS 以上 感亢降壓模式可以極高的開 關(guān)效率連續(xù)工作 良好的空載過渡 1 ZVSC 474 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 2 良好的空載過渡 2 ZVSC 474 良好的空載過渡 3 ZVSC 474 荷載載過渡 1 ZVSC 474 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 3 荷載載過渡 2 ZVSC 474 相同時基下的對比 空載過渡 ZVSC 474 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 4 ZVS 電壓與電流的相位關(guān)系 8 串聯(lián)諧振 ZVS 模式 三角波電流激勵負(fù)載 諧波分量高于正玄波 選擇合適的隔直電容 避 免發(fā)生容性換向 輸出電流靠初級感亢降壓抑制 借助于重 ZVS 緩沖過程和動態(tài)死區(qū)控制 可實(shí) 現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率 缺點(diǎn)有 1 調(diào)頻范圍太寬 產(chǎn)生一些意想不到的問題 如進(jìn)入可聞聲限等 2 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 5 初級有無功電流 回路利用率不夠高 3 當(dāng)初級電感太小時 可能因負(fù)載抖動產(chǎn)生很高的 di dt 威 脅到 IGBT 的安全 4 一個十分重要的問題是減小流過 IGBT 無功功率的問題 顯然在有限容 量的開關(guān)器件中存在無功分量減小了可用功率 無功電流與無功電壓都是重要的因素 但是完全 失去無功分量后 就不存在 軟開關(guān) 了 ZVS 方式減小了開關(guān)損耗 但是卻沒有設(shè)法減小無功功 率分量 電容部分放電后的變壓器 及附加電感 電壓 電容 206 負(fù)載回路的電流 互感器 0 1A mV IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 6 9 串聯(lián)諧振 ZCS 模式 很好的正玄波電流激勵負(fù)載 諧波分量最少 讓電容與電感發(fā)生少量 或深度的的串聯(lián)諧振 換向在荷載下趨向于 ZCS ZVS 既使只使用簡單的固定死區(qū)時間 只要給 出的死區(qū)余量較大 也能極大地改善 IGBT 在重功率下的換向條件 這是實(shí)現(xiàn)重功率的主要手段 實(shí) 現(xiàn)良好的換相條件需要諧振電容的峰值電壓等于激勵電壓的 5 7 倍 震蕩頻率譜系很純 頻率漂 移也不快 非常適合數(shù)控 相信這是當(dāng)今技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)重功率變換的唯一策略 在深度諧振下的電感電壓以及換向時機(jī) 輸入經(jīng)過 100 1 電壓互器 在深度諧振下的電感電壓與次級輸出電容電壓 CH1 次級輸出電容電壓 CH2 初級電感電壓 輸入經(jīng)過 100 1 電壓互器 頻率追蹤 01 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 7 頻率追蹤 02 頻率追蹤 03 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 8 頻率追蹤 04 頻率追蹤 05 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 1 9 頻率追蹤 06 頻率追蹤 07 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 0 頻率追蹤 08 頻率追蹤 09 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 1 頻率追蹤 10 頻率追蹤 11 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 2 頻率追蹤 12 10 串聯(lián)諧振 ZCS ZVS 交替追蹤控制模式 ZCS 頻率追蹤 ZVS 輔助換相 調(diào)頻調(diào)功 綜合了 ZVS 與 ZCS 的優(yōu)點(diǎn) 適合廣泛的應(yīng)環(huán)境 易于調(diào)功 折衷地考慮開關(guān)損耗與諧振損耗 非常靈活 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 3 電流波形 1 電流波形 2 電流波形 3 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 4 電壓波形 1 電壓波形 2 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 5 電壓波形 3 11 設(shè)計自己的嵌入性控制系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)歷程 在串聯(lián)諧振變換實(shí)驗(yàn)中 我一直堅持使用 18V 的峰值電平來驅(qū)動 IGBT 的開啟與關(guān)閉 我的逆變 實(shí)驗(yàn)從 2003 年的下半年開始 雖然經(jīng)歷了無數(shù)的挫折 但是我始終相信這一驅(qū)動電平?jīng)]有問題 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 6 一直到現(xiàn)在 我還是這個觀點(diǎn) 最近 IR 新型的 IGBT 柵極擊穿電壓界限達(dá)到了 30V 看來柵極驅(qū) 動電壓可能還要更高一些 高的驅(qū)動電壓是減小導(dǎo)通損耗的有效手段 導(dǎo)通損耗熱量是非常顯著 的 通常一個單管都達(dá)到 70W 以上 當(dāng)然也只有在開關(guān)損耗很小的情況下才出現(xiàn) 否則將忙于應(yīng) 付開關(guān)損耗帶來的可靠性問題 而無暇顧及這導(dǎo)通損耗了 驅(qū)動波形 1 驅(qū)動波形 2 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的基礎(chǔ)問題 1 實(shí)現(xiàn)在重功率下深度諧振 降低換向時開關(guān)應(yīng)力 并實(shí)施頻率追蹤以充分降低串聯(lián)諧振回路的 復(fù)阻抗來降低無功功率 2 實(shí)現(xiàn)在幾乎所有情況下 換向時負(fù)載回路都呈感性 3 實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)載下的動態(tài)死區(qū)調(diào)節(jié) 以減少空載 小載下的接通損耗 實(shí)際上難以克服的困難 1 諧振回路的問題很多 a 諧振電容器發(fā)熱嚴(yán)重 電壓也很高 經(jīng)常爆漿 炸裂 b 電感器的繞組因趨膚效應(yīng)導(dǎo)致異常發(fā)熱嚴(yán)重 c 電感器使用閉磁路不能實(shí)現(xiàn) 開磁路又對周圍元件影響嚴(yán)重 d 電感器用鐵粉芯類磁芯無法連續(xù)工作 IGBT 的關(guān)斷與接通的關(guān)斷與接通 2 7 e 電感器用鐵氧體