（电力电子与电力传动专业论文）大功率高频整流电源及控制技术研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： r e s e a r c ho fh i g hp o w e rh i g hf e q u e n e ye l i m i n a t o rs u p p 炒a n dc o n t r o l t e c h n o l o g y p o w e re l c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s c a ol i a n g z h a n gr u i a b s t r a c t w i t l lt h e d e v e l o p m e n to fs o f t s w i t c h i n g p w ma n dp a r a l l e lf l o wt e c h n o l o g y , l l i g h c a p a c i t ya n dh i g h f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yh a s b e c o m eam a j o rr e s e a r c hs u b j e c to fp o w e r e l e c t r o n i c s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r et od e v e l o pah i g h p e r f o r m a n c e 1 1 i g h c a p a c i t ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t a i n i n g12 v 10 0 0 ap o w e r m o d u l e s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt a r g e tr e q u i r e m e n t so ft h e l l i g h f r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , e x p o u n d e d t h eb a s i cp r i n c i p l eo fh i g h - f r e q u e n c y s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , a n a l y z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp h a s e s h i f t e df u l lb r i d g ec i r c u i t , a n dd e t e r m i n e dt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h e n ，t h es e l e c t i o na n d c a l c u l a t i o no ft h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d s a b e rs i m u l a t i o ns o f t w a r ew a su s e d f o rt h es i m u l a t i n go p e r a t i o ne x p e r i m e n t so fm a i nc i r c u i to fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a n da d e s i g no ft h ec o n t r o lc i r c u i tw a sp r e s e n t e db a s e do nd s pt m s 3 2 0 f 2 8 12a c c o r d i n gt ot h e c o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t s i nt h ew h o l ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，t h e m a i nr e s e a r c hm e t h o dw a ss i m u l m i o na n a l y s i sc o m b i n e dw i t ha c t u a le x p e r i m e n tr e s u l t s t h i sp a p e re x p o u n d e da n dc o m p a r e ds e v e r a lc u r r e n ts h a r i n gs c h e m e s ，r e a l i z e dt h e p a r a l l e lo fp o w e r m o d u l e sb yp r o p o s i n gt h em a x i m a lc u r r e n t s h a r i n gm e t h o d ，a n dt h e o r e t i c a l l y a n a l y z e dt h ec o r r e c t n e s so ft h ec i r c u i t s h a r i n gs c h e m ea n dt h er a t i o n a l i t yo f t h ed e s i g n t h er e l e v a n tr e s u l t sb y12 v 10 0 0 ap o w e rm o d u l ep r o t o t y p ee x p e r i m e n ts h o wt h a t ：t h e m a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sw e r el o g i c a l ；t h es w i t c h i n gp r o c e s so fp o w e rd e v i c e sh a sa z e r o v o l t a g em o d e ；t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o na n a l y s i s i th a s m e e tt h es y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，a n dp r o v i d e dan e wi d e ao ft h ee l e c t r o c h e m i s t r y r e c t i f y i n gp o w e rs u p p l yd e s i g nm e t h o d k e yw o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；s o f t s w i t c h i n g ；p h a s e - s h i f t e df u l lb r i d g ec o n v e r t e r ； h i g he f f i c i e n c y ；c u r r e n t s h a r i n g t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期：型旦：曼丛 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名：主邀 日期：却上力 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大功率直流电源的发展史 随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系密切相关， 所有电子设备都要有可靠的电源系统。进入二十世纪8 0 年代计算机电源全面实现了开关 电源化，率先完成计算机的电源换代。进入二十世纪9 0 年代开关电源相继进入各种电子、 电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使 用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制半导体开关器件开通和关断的时间比率， 维持输出电压稳定的一种电源，开关电源一般由主电路和控制电路构成。与传统采用工 频变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃， 它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体积大、笨重的工频变压器 及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可 能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。因此，迫切需要体积小、 重量轻、效率高、性能好的新型电源，开关电源取代线性电源和相控电源是必然的发展 趋势。 1 2 基于开关变换的大功率直流电源国内外发展现状 1 2 1 国内现状 传统的电化学电源主要采用工频变压器等电气元件以及晶闸管或二极管构成的整流 桥组成，目前技术成熟、性能稳定可靠，已得到广泛应用。但随着人们对生产工艺、生 产效率以及能耗水平的要求不断提高，传统电源凸显许多不足之处。首先，此类装置电 源能耗高、效率低；其次，由于工频变压器的存在，装置整体体积大；另外，随着铜、 铁等原料资源日趋紧张，装置的整体造价不断上升；更为主要的是：装置控制精度低， 工艺过程缺乏科学合理的控制手段，也是造成电能大量损耗的原因之一。近年来，国内 外相继研制出用于低压领域的基于高频开关电源方式的电化学电源，其产品的典型代表 为高频开关电镀电源。与传统工频整流电源相比，新型开关电源具有高效节能，重量轻， 体积小，动态性能好，适应性更强，有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著优 点。因此，基于大功率开关电源的电化学电源得到快速的推广应用，是当前国内外研究、 开发、应用的主流和方向。但是，限于研发起步晚，目前此类电源特别是大功率电源在 可靠性、稳定性等方面任然难以令人满意。高频开关型电镀电源目前以单机运行方式为 主，主要局限于2 0 0 0 a 以下的中小功率领域，从技术角度看主要存在以下局限性： ( 1 ) 在电力电子主电路拓扑方面，采用肖特基二极管作为高频整流元件，装置的效 率通常在8 5 左右，损耗较大。单个电源模块的输出整流器件均流控制不够理想，单个 模块容量受到限制； ( 2 ) 控制方式方面，主要采用模拟控制方式，控制的稳定性和一致性存在不足；未 形成稳定的多模块均流控制技术，因此电源多为单机运行，难以适应大容量的应用场合； 西安石油大学硕士学位论文 ( 3 ) 缺乏严格的电磁兼容设计和考核，输入谐波大，对电网其他设备存在一定干扰； ( 4 ) 缺乏对生产工艺的优化和系统的综合协调控制。 1 2 1 国外现状 泰国麦汉可( m a h a n a k o r ) 大学电气学院的s t r e r u t p i c h a m 和蒙卡特学院( m o n g k u t ) 的s p o t i k j k u l 研制出输入电压2 2 0 v 、输入电压频率5 0 h z ，输出电压5 k v 、电流1 a 、逆 变频率为2 0 0 k h z 、工作效率8 0 以上的高频电源。日本松下电气和y a m o g u c h i 学院的 h t e r a i 、t h i y a e h i 利用单相半桥逆变和软开关技术，为大功率感应加热炉研制出逆变频 率2 0 k h z ，输出功率为2 k w 的直流电源。主要应用第四代i g b t ，其体积小、动态特性 d u d t 和d i d t 较好，采用z v s p w m 零电压开关方式的p w m 用以减小噪音，微型计算 机控制具有功率因数自校正和频率连续可调的特点。日本科技大学电气学院，应用大功 率开关器件m o s f e t 管，高频滤波技术和软开关技术，研制出单相a c1 0 0 v 输入，输 出功率为2 k v a ，3 k v a 和5 k v a ，逆变频率4 5 k h z 的u p s 电源，应用了两次逆变，两 次整流。s a n t a m a r i a 联合大学的j e b a g g i o ，h l k l e y ，应用单相全桥逆变，每个开关器 件在工作时只承受直流总线电压的一半。在三相整流后的b o o s t 变换使得d c 总线的电 压下降，同时也校正了功率因数。其主要特点有：d c d c 变换时采用软开关技术；d c d c 变换时采用相对隔离方式( 在逆变后用高频变压器隔离，在高频变压器后面再整流，再 高频逆变) ；整流时每个开关器件都只承受总线电压的一半，电流负荷由每个桥臂的开关 器件平均分配，使得导通损耗小：在功率变换时应用了两次高频逆变；实现了输出电压 16 0 v 、电流2 5 a 、逆变频率9 0 k h z 的高频开关电源。i e e e 会员j o h n c f t h e r g i u ，利用一 种新型的变压器( 以炭素体和尼龙为磁芯，外加线圈再用硫磺等材料加压包装而成) ，研 制出容量2 5 k v a ，输出电压5 0 k v ，逆变频率2 0 k h z 的大功率开关电源。在其变压器原 边用两个反并联的晶闸管保护此电源装置。国际科技应用公司的r l i m p e a c h e r 和 r r o d r i g e r 研制出输出电压9 5 k v ，功率2 m w 的高频开关电源。i e e e 会员l c d e f r e i t a s 和v i e i r v a j r ，应用软开关技术和p w m 控制方案研制出高功率因数的高频开关电源，工 作频率i o o k h z ，输出功率2 k w 。设计中应用了全桥控制输出电压，并用辅助电路控制 电容器以实现在特定情况下的电压软开关。地中海东部大学电气工程学院，应用d s p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 研制出功率1 9 8 k w ，电压5 0 0 v ，逆变频率为9 2 k h z 的高频感应加 热电源。其主要特点是：应用d s p 的高速特点实现了电压的软开关技术和逆变的高频化， 并具有过压、过流、过热等保护功能。 1 3 大功率直流电源的发展趋势 今天，开关电源最主要的市场在小功率领域，但在中等功率以至较大功率领域，开 关电源的优势已十分明显。随着人们对开关电源技术研究的不断深入，在中等功率及以 上的领域内应用更广阔。对现代开关电源功率变换技术的发展趋势可概括为：高频化、小 型化、高效率、无污染、模块化。 1 ) 高频化、小型化 2 第一章绪论 开关电源的高频化是电源变换技术发展的创新技术。高频化是缩小电源体积、减轻 重量、提高功率密度的重要技术途径。开关电源的体积、重量主要由储能元件( 磁性元件 和电容) 决定，因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。在一定 范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可 抑制干扰、改善电源系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 2 ) 高效率 作为电源，效率是重要的关键指标之一。高频化的结果，使开关损耗显著增加。因 此，8 0 年代后期以来，软开关变换技术始终是电源技术研究的热门课题。软开关技术理 论上可使开关损耗降为零。实际上，可使目前的各种电源模块的变换效率由8 0 提高到 9 0 以上，达到高频率、高效率的功率变换。 3 ) 无污染 随着电力电子装置和电源的大量广泛应用，使输入电源的谐波电流显著增，功率因 数大为降低，使供电网受到明显污染。开关电源的输入端常常是二级管整流一电流滤波 的组合电路，其输入电流呈脉冲状，交流侧功率因数只有0 6 o 7 。为了限制电器设备对 电网发射谐波电流，国际上已经制订了许多标准，如针对中小功率电器设备的i e c 5 5 5 2 ， 适用于大功率电器设备的i e c l 0 0 0 3 2 。 提高a c d c 开关电源的输入端功率因数，可用无源或有源功率因数校正( p f c ) 技术。 无源校正技术较为简单，即应用l c 滤波网络，可以满足i e c l 0 0 0 3 2 标准，只不过滤 波网络体积、重量较大。有源校正技术是在输入整流和d c d c 变换器，利用控制电路( 有 专用的集成控制芯片) ，使输入端电流波形接近并保持与电压同相，从而使输入端功率因 数接近1 ，电路成本约增加2 0 。 国外已将软开关技术应用于p f c 有源校正，据报到，已有电源采用单相b o o s t 主电 路应用i g b t 功率器件，用零电压转换( z v t ) p w m 技术，工作频率1 0 0 k h z 、功率l k w ， 交流输入电压1 8 0 2 6 0 v ，效率达到9 7 9 8 。 现在，国内外正在研究开发单级高功率因数电路，即只用一级主电路构成p f c 电路 和开关电源，功率因数在0 9 以上，成本只增加5 ，预计将首先在小功率a c d c 开关 电源上实现。 4 ) 模块化 模块化是开关电源发展的总趋势，它是为了适应分布式电源供电系统的需求。过去， 电源功率不大时，均是采用单一集中的供电方式。近年来有明显地向分布式供电发展的 趋势。这是由于： ( 1 ) 分布式供电具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高的优点； ( 2 ) 使用于低损耗、超高速型集成电路低电压电源的供电要求； ( 3 ) 当需要大功率输出时，可用j 泐率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件， 组成积木式智能化大功率供电电源。这样的好处是既可以减轻对大功率元器件的研制压 西安石油大学硕士学位论文 力又可以减轻对大功率装置的研制压力。 支撑功率变换技术的相关技术支持，按照技术群集划分，即是要求节能高效率化技 术群集，高次谐波电流抑制技术群集和低噪音化技术群集的交集技术。 1 4 本论文研究的主要内容 针对现有高频开关电源的电化学电源，其输出电压低、电流大，在大功率应用领域 具有较高的技术难度，其可靠性也难以令人满意等问题。本课题将研究开发电化学行业 用的大功率高频整流电源，包括采用i g b t 模块和全数字化控制的电化学电源。从而解 决传统的电化学电源以及目前电化学电源技术的不足。 研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 选择针对电化学领域的大功率高频整流电源装置主电路拓扑结构； ( 2 ) 研究分析掌握大功率高频整流电源装置的控制技术，建立其相关的数学模型； ( 3 ) 了解并掌握高频逆变和整流技术、模块并联技术、软开关控制技术的应用； ( 4 ) 得出实验结论，完成学位论文。 1 5 本论文研究的目的和意义 1 5 1 开题的目的 通过对大功率高频整流电源装置主电路拓扑结构及其控制原理的研究分析，为 2 0 0 k w 大功率高频整流电源及控制系统产品的研制实施提供必要的理论设计依据。了解 并掌握高频逆变和整流技术、模块并联技术、软开关控制技术的应用；了解大功率高频 整流电源的状态参数检测、故障诊断、协同控制等技术的应用。 1 5 2 开题的意义 随着电力电子器件、拓扑及控制技术的发展，现代电力电子技术已经成为高效、节 能，传统设备改造及产业升级的重要手段和关键技术，日益成为我国国民经济的重要基 础技术和国防、工业的重要支撑技术。 在电解、电镀、金属着色、电泳等电化学行业中，需要多种大功率和超大功率的直 流或脉冲电源，在该领域中采用电力电子技术的电源设备和装置得到了广泛的应用，其 各项性能直接关系到所生产产品的质量、成本及生产效率，是保证生产过程的重要环节。 传统的电化学电源主要采用工频变压器等电器元件以及晶闸管或二极管构成的整流桥组 成，目前技术成熟、性能稳定可靠，已得到广泛应用。但随着人们对生产工艺、生产效 率以及能耗水平的要求不断提高，传统电源凸显出许多不足之处。首先，电解、电镀等 电化学行业是著名的耗能大户，其电源消耗是其主要生产成本之一。在低压大电流输出 的应用领域，传统的电源能耗高、效率低；其次，由于工频变压器的存在，使装置整体 体积大、笨重的缺陷，随着铜、铁等原料资源的日趋紧张，装置的整体造价不断上升； 此外装置控制精度低，工艺过程缺乏科学合理的控制手段，造成大量的电能损耗。因此， 电源装置的高效化是其必然的发展趋势，而高频化是提高电源效率的主要途径。 在电化学行业领域的电源装置中，采用高频开关电源代替传统整流电源节能效果显 4 第一章绪论 著，装置体积减小，重量轻，功率密度高，控制性能优越。高频开关式电源比传统的工 频整流电源节能2 0 - - 3 0 ，材料减少8 0 - - 9 0 ，体积减少到传统同容量电源的1 5 以下，动态响应速度提高2 3 个数量级。因此电源效率、功率密度及铜铁材料等指标用 量均有大幅度的改善。 目前，采用高频开关电源方式的电化学电源已逐步得到推广，应用范围日益扩大， 但由于大功率电力电子变换器拓扑、控制及保护技术的制约，此类电源还主要为单机、 小容量装置，主要局限于1 2 v ，2 0 0 0 a 以下的中小功率领域，难以适应更大功率的应用 领域。从技术角度看主要限于硬开关变换模式和模拟控制方式，具有明显的局限性。 西安石油大学硕士学位论文 第二章绝缘栅双极晶体管i g b t 的特性及驱动 2 i l g b t 器件简介 2 1 i l g b t 的结构和工作原理 图2 1 给出了i g b t 的结构原理图。当给i g b t 施加正向电压，并且栅极驱动电压小 于启动电路时，i g b t 器件的n 。层与p 。层间的p n 结j 2 反偏，i g b t 处于关断状态。当 驱动电压升高至开启电压时，由于其电场的作用，在栅极下的p 。区中就会出现一天导电 沟道，从而使i g b t 开始导通。此时j 3 处于正偏状态，因而有大量空穴从p + 区注入n 区域，使n 区域中的载流子浓度大大增加，产生电导调制制度，降低了i g b t 的正向压 降。当撤去栅极电压后，栅极下的导电沟道消失，从而停止了从矿区经导电沟道向n 。 区的电子注入，i g b t 开始进入关断过程。但由于i g b t 在正向导通时n 。区( 基区) 含 有大量载流子，因而它并不能立刻关断，直到n 区中的剩余载流子消失，i g b t 才进入 阻断状态，这样i g b t 的关断延时时间幻( 0 回比m o s f e t 要长一些。 到l 划p ，剖j u 剖i 。千p l njl j 2 n l j 3 p + 图2 - li g b t 结构图 2 1 2i g b t 的基本特性和主要参数 a i g b t 基本特性 ( 1 ) 静态特性图2 2 a 所示为i g b t 的转移特性，它描述的是集电极电流厶与栅射 电压醌e 之间的关系，与m o s f e t 管的转移特性相类似。开启电压u c e 油) 是i g b t 能实 现电导调制而导通的最低栅射电压。e 会随温度升高而略有下降，当温度升高1 时， 其值下降约5 m v 左右。在+ 2 5 。c 时，e ( m ) 的值一般为2 “v 。 图2 2 b 所示为i g b t 的输出特性，也称为伏安特性，它描述的是以栅射电压为参 考变量时，集电极间电流厶与集射极间电压e 之间的关系。其特性与g t r 的输出特 性相似，只是参考变量有所变化，i g b t 为栅射电压e ，而g t r 为基极电流1 b 。i g b t 的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与g t r 的截止区、放 大区和饱和区相对应。此外，当e 2 0 v 将导致绝缘层被击穿。 因此在焊接、驱动等方面必须注意这个问题。 ( 6 ) 跨导g 6 在规定的工作条件下，i g b t 转移特性曲线的斜率称为该器件的跨导， 即 8 第二章绝缘栅双极晶体管i g b t 的特性及驱动 ， d 一瓦 一 ( 7 ) 极间电容i g b t 的三个电极之间分别存在极间电容，一般为输出电容c i 即输 出电容和反向转移电容 2 5 3 。 2 1 3i g b t 的擎住效应和安全工作区 在i g b t 内部寄生着一个n 。p n + 晶体管与作为主开关器件的p + n 。p 晶体管共同组成 寄生晶闸管。其中n p n 晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，p 区的横向空穴 电流会在该电阻上产生一定的压降，相当于对j 3 结施加一个正向偏电压，在额定集电极 电流范围内，这个偏压比较小，不足以使j 3 开通，然而一旦j 3 开通，栅极就会失去对集 电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，使器件功耗过高而造成损坏。这种电流失 控的现象，就像普通晶闸管被触发以后，即使不施加触发信号晶闸管仍然由于进入了正 反馈过程而维持导通的原理是一样的，因此被称为擎住效应，又称之为自锁效应。引发 擎住效应的原因，可能是由于集电极电流过大( 静态擎住效应) ，也可能是因为d u c e d t 过 大( 动态擎住效应) ，而温度升高也会加重发生擎住效应的危险。 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电 极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确定i g b t 在导通 工作状态的参数极限范围，即正向偏执安全工作区( f o r w a r db i a s e ds a f eo p e r a t i n g a r e a - - f b s o a ) ；根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升d u c e d t 可以确定i g b t 在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区( r e v e r s e b i a s e ds a f eo p e r a t i n ga r e a - - r b s o a ) 卯。 2 2i g b t 的驱动电路 i g b t 为驱动型器件，由于其静态输入电阻很大，所以需要的驱动功率比较小。但 是由于栅源极间、栅射极间存在输入电容，当器件高频通断时，电容开始频繁的进行充 放电，为快速建立其驱动电压，则要求驱动电路输出电阻较小，且具有一定的驱动功率。 i g b t 的驱动电压一般取1 5 v 。在器件关断时，最好对器件施加一个反向电压，以保证 器件可靠关断，负驱动电压一般取一5 一1 5 v 。 2 2 1i g b t 对栅极驱动电路的要求 i g b t 是电压控制型器件，只需控制i g b t 的栅极电压就可以控制其开通与关断，并 且开通时可以维持较低的通态压降v c e 。i g b t 的安全工作区和其开关特性随着驱动电路 的改变而改变，因此合理的设计i g b t 驱动电路是其正常工作的重要保证。 a i g b t 驱动电路要求 在设计移相软开关全桥变换器的i g b t 驱动电路时必须考虑以下问题： ( 1 ) 动态驱动能力 9 西安石油大学硕士学位论文 为了减小开关损耗，驱动电路应能够提供陡峭的前后沿驱动脉冲。为了改善控制脉 冲的前后沿陡度和防止振荡，减小i g b t 集电极极大的电压尖脉冲，需在栅极串联一个 电阻尺g 。 ( 2 ) 持续提供正向栅压 i g b t 导通后的管压降与所加栅源电压阮e 有关，图2 - 4 表明栅源电压u c z 与i g b t 导通电阻r o n 的关系，阮e 越高，r o n 越小，管压降越低，所以器件的导通损耗越小。 为了减小通态损耗，应在栅极电压耐量允许的范围内尽可能选高一些。但是过大的 正向栅压将会降低i g b t 的短路承受能力，对其安全不利。图2 5 所示为栅压e 与短 路电流昆s 和安全短路时间的关系曲线。从提高i g b t 短路耐量的角度出发，魄e 值较低 为好，通常u c e l 0 1 5 v 左右。 ( 3 ) 提供反向栅压 i g b t 关断期间，会对栅极电路产生高频振荡信号，这些信号轻则使i g b t 处于微通 状态，增加管子反向栅压的功耗；严重的将使桥臂短路直通，使器件烧毁，因此必须为 i g b t 提供反向的栅压，目的是加速i g b t 的关断过程。 r o , m q 8 0 6 0 4 0 2 0 u c e 图2 - 4 栅压魄与i g b t 导通电阻勘n 关系曲线 u c v 图2 5 栅压u c e 与短路电流尼s 和安全短路时间关系曲线 ( 4 ) 输入输出电气隔离 i g b t 与工频电网有直接的电连接，为了保证控制电路可靠工作，驱动器件必须具 1 0 第二章绝缘栅双极晶体管i g b t 的特性及驱动 有电气隔离的能力，而且电气隔离应不影响驱动信号的正常传输。 b i g b t 驱动电路的基本形式 ( 1 ) i g b t 直接驱动方式 如图2 - 6 所示为i g b t 直接驱动方式： c 图2 6i g b t 直接驱动 ( 2 ) 隔离驱动方式 隔离驱动主要有一下三种方式： a 采用浮地驱动芯片 美国i r 公司生产的m o s 栅极驱动器系列产品把驱动一高压侧和一低压侧的 m o s f e t 或i g b t 所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内。它根据自举原理， 外接很少的分立元件，只需提供一个电源就能驱动全桥的四个m o s 管工作。 b 光耦隔离 光耦隔离介于p w m 芯片和驱动级之间，它具有任意可调的占空比、隔离耐压高、 对电压性的噪声抑制能力较强等优点，同时，其缺点是：需要若干独立电源供电、传输 时延迟较大、开关速度较慢等。 c 图2 7 光耦隔离驱动 c 变压器隔离 变压器位于驱动级和开关器件之间，它的优点是：信号传输延迟时间很小、变压器 副边无须再提供独立的供电电源、有较好的抗干扰能力等，其的缺点是：所传输信号的 西安石油大学硕士学位论文 占空比应适中；由于寄生参数的影响，高性能的变压器在制作上比较困难。 2 2 2 具有自保护功能的i g b t 驱动电路h c p l 3 1 6 j a h c p l 一3 1 6 j 内部结构及工作原理 h c p l 3 1 6 j 的内部结构原理图如图2 - 9 所示，其外部引脚如图2 1 0 所示。 l e d 召号线 f a 哪 故障线 莩 测 浏 v 恤( 1 s ) 图2 - 9h c p l - 3 1 6 j 的内部原理图 w 1 v o t l ( 1 1 ) v 暖9 ，1 0 ) 图2 1 0h c p l - 31 6 外部引脚图 由图2 1 0 可以看出，h c p l 3 1 6 j 可分为左边的输入i c 和右边输出i c 二部分，其输 入和输出之间完全可以满足大功率i g b t 驱动的要求。 各引脚功能如下： 脚1 ( v 斛) ：正向信号输入； 1 2 黜 第二章绝缘栅双极晶体管i g b t 的特性及驱动 脚2 ( v r n ) ：反向信号输入； 脚3 ( v c e l ) ：接输入电源； 脚4 ( g n d ) ：输入端的地； 脚5 ( r e s e r t ) ：芯片复位输入端； 脚6 ( f a u l t ) ：故障输出，当发生故障( 输出正向电压欠压或i g b t 短路) 时，通过 光耦输出故障信号； 脚7 ( v l e d l + ) ：光耦测试引脚，悬挂； 脚8 ( v l e d i ) ：接地； 脚9 、脚1 0 ( v e e ) 给i g b t 提供反向偏置电压； 脚1i ( v o u t ) ：输出驱动信号以驱动i g b t ； 脚1 2 ( v c ) ：三级达林顿管集电极电源； 脚1 3 ( v c c 2 ) ：驱动电压源； 脚1 4 ( d e s a t ) ： i g b t 短路电流检测； 脚1 5 ( v l e 0 2 + ) - 光耦测试引脚，悬挂； 脚1 6 ( v e ) ：输出基准地。 若v 斛正常输入，且d e s a t ( 脚1 4 ) 没有过流信号，且v c c 2 v e = 1 2 v 即输出正向驱 动电压正常，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出为低电平。首先3 路信号 共同输入到j p 3 ，d 点低电平，b 点也为低电平，5 0 d m o s 处于关断状态。此时j p l 的 输入的4 个状态从上至下依次为低、高、低、低，a 点高电平，驱动三级达林顿管导通， i g b t 也随之开通。 若i g b t 出现过流信号( 脚1 4 检测到i g b t 集电极上电压= 7 v ) ，而输入驱动信号继 续加在v 肼上，欠压信号为低电平，b 点输出低电平，三级达林顿管被关断，1 x d m o s 导通，i g b t 栅射集之间的电压被慢慢释放掉，实现慢降栅压。当v o 旷2 v 时，即v o u t 输出低电平，c 点变为低电平，b 点为高电平，5 0 x d m o s 导通，i g b t 栅射集迅速放电。 故障线上信号通过光耦，再经过r s 触发器，q 输出高电平，使输入光耦被封锁。同理 也可以分析只有欠压和既欠压又过流的情况。 2 3i g b t 的保护 2 3 1i g b t 的过流保护 i g b t 的过流保护可分为短路保护和过载保护。n 2 1 过载保护无需快速响应，可以采 取集中式保护方法，即检测输入端或直流环节的电流总和，当此电流超过预设数值后比 较器翻转，封锁所有i g b t 的输入脉冲信号，使输出电流降至零。这种过载电流保护， 开始动作后，只有通过复位才能使其恢复正常作。 现在所用的过流保护措施有软关断和降低栅极电压两种： ( 1 ) 软关断当检测出短路和过流信号时，迅速撤去栅极信号，迫使i g b t 关断。然 而由于软关断抗干扰能力差，所以一旦检测到过流信号就会立刻进行关断动作，故很容 西安石油大学硕士学位论文 易发生误动作。为了增加保护电路的抗干扰能力，可采取在故障信号与启动保护电路之 间增加延时的措施，但是，由于故障电流会在这个延时内迅速上升，导致器件的功率损 耗大大增加，同时还会导致i g b t 的删d t 增大。所以如果启动了保护电路，器件往往仍 然会被烧坏。 ( 2 ) 降低栅极电压当检测到器件过流信号时，立刻将栅极电压降到适合的某一电 平，但此时的器件仍然维持导通状态。降低栅极电压后设有固定的延时，故障电流在固 定延时期内被限制在某一较小值，降低了故障发生时i g b t 的功率损耗，延长了器件的 抗短路时间，而且能够降低开关器件关断时电流的速率，对器件的保护起到了十分重要 的作用。如果延时后故障信号仍然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自 动恢复到正常的工作状态，因而大大增强了抗干扰能力。在实际工作过程中，降低栅极 电压的速度也是一个非常重要因素，它直接决定了故障电流下降的速率。缓慢的降低栅 极电压则是通过限制其速度来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的d v d t 和 的峰值。 2 3 2i g b t 过电压保护 i g b t 的过电压保护主要由以下两种情况产生： ( 1 ) 施加到i g b t 集射极间的直流过电压保护 直流过压产生的原因是由于输入的交流电源或i g b t 的前一级输入发生异常导致 的。采取的方法就是在i g b t 的选取时，降低其额定数值；另外，当检测出过压时可以 分断i g b t 的输入，以确保i g b t 的安全。 ( 2 ) 集射极上的浪涌电压保护 集射极上的浪涌电压产生的原因：由于电路中分布电感的存在，且i g b t 快速通断， 此时当i g b t 关断，与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的l d i d t ，导 致i g b t 的烧坏。为了能够有效抑制关断时的过电压并减小i g b t 的关断损耗，一般采 用给主电路设置关断缓冲电路的方法。对吸收电路的要求是：减小主电路中的布线电感； 吸收电容应采用低感吸收电容，它的引线应尽量短，最好直接接在i g b t 的端子上；吸 收二极管应选用快开通和快速恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的 振荡过电压。 图2 1 1 为i g b t 的关断吸收电路的四种类型： 1 4 第二章绝缘栅双极晶体管i g b t 的特性及驱动 ( a ) c 吸收电路 ( b ) r c 吸收电路 r ( c ) r c d 吸收电路( d ) 放电阻止型r c d 吸收电路 图2 1 1i g b t 的关断吸收电路 c 吸收电路：适用于小容量的i g b t 器件，易产生电压振荡。 r c 吸收电路：适用于中等容量的器件，若使用大容量的i g b t ，开通时会产生过大 的集电极电流，使i g b t 功能受到一定限制，所以必须增大缓冲电阻。 r c d 吸收电路：适用于中等或大容量器件，电路中增加了缓冲二极管，目的是使缓 冲电阻增大，有效地解决了i g b t 开通时功能受阻的问题。 放电阻止型r c d 吸收电路：适用于高频开关，与r c d 吸收电路相比其优点是，产 生的损耗小。但在吸收过电压的方面略显不足。n 2 1 2 3 3i g b t 的过热保护 当通过i g b t 的电流较大，开关频率较高，会导致器件的损耗比较大，如果器件不 能及时散热，当器件的结温超过规定的最大值时，i g b t 就可能被烧坏。若在i g b t 附近 安装温度传感器，便于检测i g b t 的壳温，若器件超过额定温度时主电路进行跳闸动作， 以便切断i g b t 的输入，实现i g b t 的过热保护。 在i g b t 实际设计时应根据情况，选取合理的驱动电路和保护措施，只有这样才能 达到良好的要求，以便保证i g b t 工作在安全可靠地工况下。 2 4 本章小结 本章首先对绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 的基本结构、工作原理及主要参数进行了详 细的分析和说明，在此基础上介绍了i g b t 的驱动电路及保护电路。并对设计中所采用 的具有自保护功能的i g b t 驱动电路h c p l 3 1 6 j 的内部结构及工作原理进行介绍。 1 5 西安石油大学硕士学位论文 第三章移相全桥零电压软开关变换器 3 1 软开关技术的研究与发展 3 1 1 硬开关技术的局限性 在很多开关电路中，开关器件是工作在高电压或大电流的条件下，由门极控制其开 通或关断。所谓的硬开关是在开关过程中电压、电流均不为零，因此出现了叠加区，故 导致了开关损耗得产生。而且电压和电流变化的很快，波形出现了明显的过冲和振荡， 因此导致了开关噪声的产生，其开关过程如图3 1 所示。由于硬开关的特性，其开关过 程会产生较大的开关损耗和开关噪声。随着开关频率的提高，开关损耗会随之增加，致 使开关电路的效率下降。由于发热量增大，温度升高，阻碍了开关频率的提高：开关噪 声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。n 羽 l 扎 火 r l 八 l 火 “ r l 八 f 图3 - 1 硬开关的开关过程 ( a ) 开通过程( b ) 关断过程 3 1 2 软开关技术的基本概念 为了克服硬开关电路中出现的问题，通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电 容等谐振元器件，构成一个辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，通过使开关 器件开通前电压先降为零或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程中电压电流的重 叠，降低它们的变化率，从而大大降低甚至消除开关损耗和开关噪声，这样的电路称为 软开关电路，典型的开关过程如图3 2 所示。具有这样开关过程的开关称为软开关。 l l 甜 l r k l 7 以 o r l o 图3 2 软开关的开关过程 ( a ) 开通过程( b ) 关断过程 1 6 ， 第三章移相全桥零电压软开关变换器 由图3 2 可知，软开关的开关过程包括软开通和软关断。其中软开通又包括零电压 开通和零电流开通；软关断包括零电压关断和零电流关断。即通过实现开关管的几种软 开关方式可以减小硬开关的开关损耗。 使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方 式为零电压开通；使开关关断前电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种 关断方式称为零电流关断。在很多情况下，不再指出开通或关断主要依靠电路中的谐振 来实现。 与开关并联的的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗，有时 成这种关断过程为零电压关断；与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率， 降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。但简单的在硬开关电路中给开关并联电容或 串联电感，不仅会降低开关损耗，还会带来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题， 是得不偿失的，因此常与零电压开通和零电流关断配合应用。 3 1 4 软开关电路的分类 从软开关技术的提出至今，经历了不断发展和完善，前后出现了各种各样的软开关 电路，直到目前为止，新型的软开关拓扑仍不断的出现。由于软开关电路的种类繁多， 而且各自都具有不同的特点和各自适合应用的场