IGBT_的关断与接通

IGBT 的关断与接通的关断与接通 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 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 3 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 4 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 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 5 到了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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 6 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 7 空载下几乎没有硬开通的过渡 3 ZVSC 103 较好的过渡 ZVSC 103 IGBT 的关断与接通的关断与接通 8 含有硬接通的过渡 ZVSC 103 良好的 ZVS 过渡一定是线性的 ZVSC 103 IGBT 的关断与接通的关断与接通 9 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 0 空载下的慢过渡 2 5uS ZVSC 104 103 荷载下的快过渡 2 750nS ZVSC 104 103 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 1 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 2 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 3 荷载载过渡 2 ZVSC 474 相同时基下的对比 空载过渡 ZVSC 474 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 4 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 5 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 6 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 7 频率追踪 02 频率追踪 03 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 8 频率追踪 04 频率追踪 05 IGBT 的关断与接通的关断与接通 1 9 频率追踪 06 频率追踪 07 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 0 频率追踪 08 频率追踪 09 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 1 频率追踪 10 频率追踪 11 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 2 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谐振损耗 非常灵活 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 3 电流波形 1 电流波形 2 电流波形 3 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 4 电压波形 1 电压波形 2 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 5 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 6 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 IGBT 的关断与接通的关断与接通 2 7 e 电感器用铁氧体