串聯(lián)諧振逆變器在中高頻電除塵電源的應(yīng)用

1、中高頻開關(guān)電源作為一種電源變換裝置，用途非常廣泛。它的發(fā)展與電力電子器件，控制理論，微處理器等學(xué)科與技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r緊密相連的。在電除塵器領(lǐng)域，隨著中篼頻開關(guān)電源的發(fā)展，國內(nèi)外許多單位紛紛開始研制，生產(chǎn)大功率中高頻開關(guān)電源。因電除塵器電源的輸出頻繁工作在短路、燃弧載狀態(tài)，輸出電流較大。主回路開關(guān)元件的開關(guān)應(yīng)力較大。隨著開關(guān)和功率的提高，開關(guān)損耗劇增，因而，控制大功率、高頻率、負(fù)載不穩(wěn)定中篼頻開關(guān)電源難度較大，因此主回路必須采用適當(dāng)?shù)耐負(fù)湫问?，解決IGBT損耗大，發(fā)熱量高，運(yùn)行保護(hù)問題。諧振式電路的拓?fù)湫蝿葺^多，與硬開關(guān)控制方式相比，其特點主要是開關(guān)損耗較低，可使工作頻率大大提高。在諧振式電路的拓

2、撲形，串聯(lián)諧振式電路因其本身具有限流特性，也就是說當(dāng)輸出處于短路狀態(tài)時，主回路也不會像硬開關(guān)那樣產(chǎn)生很大電流。同時串聯(lián)諧振式開關(guān)可實現(xiàn)在零電流和零電壓附近的條件下開關(guān)，理論上可以把開關(guān)損耗降的很低甚至是零，不會像硬性開關(guān)那樣因受發(fā)熱問銓的影響而不能提高工作頻率。這是一種減小開關(guān)損耗的有效方法。二、串聯(lián)諧振工作原理采用全橋電路結(jié)構(gòu)，其電路與普通的全橋開關(guān)電源基本一致，其不同之處僅僅是在變壓器原邊電路中串聯(lián)一個！jC電路，然而變換器的工作狀態(tài)卻由此發(fā)生很大變化，圖一所示電路是全橋串聯(lián)諧振電路。假定Q、4在I時刻導(dǎo)通，此時電源已通過Q，T、L、C及形成回路，由于回路中存在電感L和電容C.所以通過變壓

3、器T原邊的電流呈正弦規(guī)律變化，如圖二所示，當(dāng)?shù)胶螅捎赨C諧振電路的特點，此時電容C上的電壓會高于電源電壓，故丨1反向通過1、04又流回電源。仍呈正弦規(guī)律變化，在此期間，應(yīng)撤除Q、4的驅(qū)動信號，當(dāng)L再度到零后，由于Q、4此時已關(guān)斷不能形成諧振回路。故il的自由振蕩頻率為電路的工作周期11=2（1411），14的開關(guān)頻率=1/ti.圖一控制D5、DS整流后提供給負(fù)載。當(dāng)R0變化時，如要維持輸出電壓U0不變，則可通過改變開關(guān)頻率來實現(xiàn)。圖二由圖二可見，在QCl開通和關(guān)斷時刻（t，t2、t3、t4）流經(jīng)它們的電流為零，這樣，在理論上Q（的開通損耗和關(guān)斷損耗均為零。人們?yōu)榱耸闺娫垂ぷ髟诟哳l率上，往往

4、在二極管Dt、D4（或D2、D3），導(dǎo)通期間就使2、3（或Q，QJ導(dǎo)通，這是電流的波形如圖三所示，此時2fXf.，h連續(xù)，圖三中bt，期間導(dǎo)通，tl、t2期間D，D4導(dǎo)通，在t2時刻，使2、3導(dǎo)通，此時電流il由Di、D4轉(zhuǎn)移到Qz、3.同理在t4時刻由D2、D3轉(zhuǎn)在il連續(xù)的狀態(tài)下，隨著fx變高，輸出功率明顯變大，故設(shè)計者一般均把額定輸出狀態(tài)設(shè)定在這種條件下。綜上分析，由于電感作用，主回路開始導(dǎo)通瞬間電流為零，關(guān)斷時，由于電流在關(guān)斷IGBT前過零，所以IGBT關(guān)斷時其上已無電流流過。這時的電流由IGBT上并聯(lián)的續(xù)流二極管中流通，IGBT能實現(xiàn)零電流關(guān)斷，其關(guān)斷損耗理論上為零。此后，由于在二極

5、管導(dǎo)通時，另一組IGBT導(dǎo)通。IGBT電流接近于零，故開關(guān)損耗也接近于零。三、IGBT散熱器設(shè)計當(dāng)電除塵器電源輸出電流供給負(fù)載工作時，功率開關(guān)器件1GBT本身也要消耗功率。滿負(fù)荷工作時，IGBT將產(chǎn)生較篼的功率損耗。散熱器設(shè)計要求將IGBT功耗轉(zhuǎn)化的熱量迅速而可靠地從基板傳送到散熱器上散掉，確保IGBT的最高工作結(jié)溫不超過允許溫度，散熱能力越強(qiáng)器件所能承受的功率就越大，而器件的散熱能力取決于它的熱傳導(dǎo)特性。其中Q總熱阻。T一基板結(jié)溫與環(huán)境溫度之差。外加散熱器后，總熱阻Q包括以下幾部分Q=Qc+Q：i+Qa其中Qc-結(jié)到基板的熱阻。Qi：基板到散熱器界面的熱阻。QA：散熱器到周圍空氣的熱阻。其中

6、Ti器件結(jié)溫。TA周圍環(huán)境溫度。根據(jù)電源長時間大電流工作的情況，選定最惡劣情況時的環(huán)境溫度TA和IGBT額定功耗P，從上式可求得所設(shè)計的散熱器到周圍空氣的熱阻Qa，而Qc和4都是確定的，從散熱器手冊中求得熱阻Qa選定散熱器尺寸和散熱面積。為減小熱阻通常在IGBT模塊基板與散熱器界面之間涂上導(dǎo)熱硅膠，外加軸流風(fēng)機(jī)幫助散熱，提高IGBT的耗散功率。四、IGBT的過流保護(hù)IGBT在短路和過流時，如不迅速加以保護(hù)就會導(dǎo)致器件失效，其主要原因有：器件過壓擊穿、發(fā)生擎住效應(yīng)、超過熱極限。過壓擊穿：IGBT處在過流的大電流狀態(tài)下，若保護(hù)電路將其快速關(guān)斷，極大的電流下降率di/dt將在電路的感性元件、外電路雜

7、散電感和內(nèi)封電感上感應(yīng)出一個大小為Ldi/dt的電壓，過高的電壓過沖會造成IGBT雪崩擊穿，使器件失效，對于常工作于篼壓、大電流下的IGBT，防止過流保護(hù)時，因快速關(guān)斷造成過壓擊穿顯得尤為突出，無論是降柵壓的速度，即慢降壓還是慢關(guān)斷的速度都必須考慮由此造成的電壓過沖Ldi/dt.擎?。哼^流保護(hù)時，極大的電流下降di/dt和極大的電壓上升du/dt容易造成寄生晶閘管的觸通，一旦發(fā)生擎住現(xiàn)象，即使在IGBT柵極加上一5V的關(guān)斷電壓，也無法使其關(guān)斷，為避免發(fā)生擎住，關(guān)斷速度應(yīng)受到限制。熱損壞：有過流，保護(hù)關(guān)斷這段時間內(nèi)，IGBT同時承受大電流和高電壓器件熱功耗急劇增加，為了防止熱損壞，過流的時間也受

8、到限制。當(dāng)IGBT出現(xiàn)過流時，先將其柵極驅(qū)動電壓降低，然后再將其關(guān)斷，這種保護(hù)有兩大優(yōu)點，一是延長了IGBT能夠承受過流時間，二是可以降低過流的幅度，假若過流時，若仍保持全柵壓驅(qū)動，則IGBT過流櫥度大，持續(xù)時間長，若將柵極驅(qū)動電壓降低，則IGBT過流幅值小，電流很快回落，持續(xù)大電流的時間短。降柵壓保護(hù)是IGBT過流保護(hù)基本方法之一。降柵壓帶來問題是過流時器件通態(tài)壓降的升篼，這樣管子瞬時熱損耗急劇增大，為防止熱損壞，這個時間應(yīng)足夠短。慢降柵壓保護(hù)是指降柵壓保護(hù)時、柵極驅(qū)動電壓Uge由正常電壓下降到保護(hù)時低電壓。申壓下降速度不能太快，這主要是為了避免擎住效應(yīng)和防止di/dt引起的電壓過沖。慢關(guān)斷

9、是指器件的關(guān)斷速度，對應(yīng)于柵極是驅(qū)動電壓由保護(hù)柵壓到關(guān)斷柵壓的下降過程，慢關(guān)斷保護(hù)也是為了防止過壓沖擊和擎住效應(yīng)。IGBT處于過流狀態(tài)時，不同的關(guān)斷速度di/dt引起的電壓Uce過沖不同，關(guān)斷速度越慢，電壓過沖越小，慢關(guān)斷保護(hù)也是IGBT過電流保護(hù)的基本方法。五、IGBT驅(qū)動保護(hù)柵極正向驅(qū)動電壓+Uge是一個重要的參數(shù)，必須正確選擇。因Uge增大時IGBT承受短路或過流的時間減小，對其安全不利，因此+Uge要綜合考慮，一般選+12+15V為好。在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲電荷，須施加一負(fù)偏壓一Uge，但它受IGBT的GE間最大反向耐壓的限制一般取一2一10V為好。為了改善控制脈沖的

10、前后沿陡度和防止振蕩，減小IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需要在柵極串聯(lián)電阻Rg（Rg指圖四艮、民、艮、艮），當(dāng)Rg增大會使IGBT通斷時間延長，能耗增加。但若減小Rg會使di/dt增大，可能引起觸發(fā)誤導(dǎo)通或損壞IGBT，因此，應(yīng)根據(jù)電流容量和電壓定額及開關(guān)頻率的不同選擇合適的Rg值，一般Rg取十幾歐至幾十歐。因IGBT是壓控器件，當(dāng)集射間加有篼壓時很容易受到外界干擾使柵射間電壓超過一定值，引起器件誤導(dǎo)通，尤其在橋式變換器中，易使同臂直通短路。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在柵射間并聯(lián)一電阻Rge（Rge指圖四、。、私艮可起到一定作用，一般Rge取10005000歐，而且應(yīng)將它并聯(lián)在柵射極最近處，此外

11、，在柵射間并聯(lián)兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，也可對驅(qū)動電路出現(xiàn)的高壓尖脈沖起到一定的抑制作用。驅(qū)動電路與控制電路在電氣上應(yīng)嚴(yán)格隔離?？刂艻GBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用。最好自身帶有對被驅(qū)動IGBT的完整保護(hù)能力，并有很強(qiáng)的抗干擾性能，其輸出阻抗應(yīng)盡可能低，其引至IGBT模塊的引線盡可能短，引線應(yīng)采用絞線式同軸電纜屏蔽線。六、IGBT開關(guān)瞬態(tài)電壓抑制IGBT在開通瞬間將受到浪涌電流的沖擊。形成浪涌電流的原因有二：一是在IGBT開通瞬間，集電極電流上升速度（di/dt）增大。二是尖峰電壓吸收網(wǎng)絡(luò)充放電電流疊加在開通的IGBT管的集電極電流上形成電流尖峰。浪涌電流的特點是時間極短，而峰值很大，它是構(gòu)成威脅IGBT安全運(yùn)行的主要原因之一。在IGBT關(guān)斷時，存儲在布線漏感和高頻變壓器漏感中的能量將釋放，它和集電極回路電容形式阻尼振蕩，該電壓疊加在關(guān)斷電壓上形成集電極關(guān)斷尖峰電壓，其值可能超過IGBT的耐壓能力，導(dǎo)致晶體管損害，所以在設(shè)計和制造過程中通常在IGBT的C一E間反向并聯(lián)鉗位續(xù)流二極管和吸收電路，以限制