串联谐振逆变器在中高频电除尘电源的应用

1、中高频开关电源作为一种电源变换装置，用途非常广泛。 它的发展与电力电子器件，控制理论，微处理器等学科 与技术的发展状况紧密相连的。在电除尘器领域，随着 中篼频开关电源的发展 ，国内外许多单位纷纷开始研制，生产大功率中高频开 关电源。因电除尘器电源的输出频繁工作在短路、燃弧 载状态，输出电流较大。主回路开关元件的开关应力较 大。随着开关和功率的提 高，开关损耗剧增，因而，控制大功率、高频率、负载 不稳定中篼频开关电源难度较大，因此主回路必须采用 适当的拓扑形式，解决IGBT损耗大，发热量高，运行保 护问题。谐振式电路 的拓扑形势较多，与硬开关控制方式相比，其特点主要 是开关损耗较低，可使工作频率

2、大大提高。在谐振式电 路的拓扑形，串联谐振式电路因其本身具有限流特性， 也就是说当输出处于短路 状态时，主回路也不会像硬开关那样产生很大电流。同 时串联谐振式开关可实现在零电流和零电压附近的条件 下开关，理论上可以把开关损耗降的很低甚至是零，不 会像硬性开关那样因受发 热问铨的影响而不能提高工作频率。这是一种减小开关 损耗的有效方法。二、串联谐振工作原理采用全桥电路 结构，其电路与普通的全桥开关电源基本一致，其不同 之处仅仅是在变压器原边 电路中串联一个！jC电路，然而变换器的工作状态却由此 发生很大变化，图一所示电路是全桥串联谐振电路。假 定Q、4在I时刻导通，此时电源已通过Q，T、L、C及

3、形成 回路，由于 回路中存在电感L和电容C.所以通过变压器T原边的电流呈 正弦规律变化，如图二所示，当到后，由于UC谐振电路 的特点，此时电容C上的电压会高于电源电压，故丨1反 向通过1、0 4又流回电源。仍呈正弦规律变化，在此期间，应撤除Q、 4的驱动信号，当L再度到零后，由于Q、4此时已关断不 能形成谐振回路。故il的自由振荡频率为电路的工作周期 11=2 （1411），14的开关频率=1/ti.图一控制D5、DS整流 后提供给负载。当R0变化时，如要维持输出电压U0不变， 则可通过改变开关频率来实现。图二由图二可见，在 QCl开通和关断时刻（t，t2、t3、t4）流经它们的电流 为零，这

4、样，在理论上Q（的开通损耗和关断损耗均为 零。人们为了使电源工作在更高频率上，往往在二极管 Dt、D 4（或D2、D3），导通期间就使2、3（或Q，QJ导通，这 是电流的波形如图三所示，此时2fXf.，h连续，图三中 bt，期间导通，tl、t2期间D，D4导通，在t2 时刻，使2、3导通，此时电流il由Di、D4转移到Qz、3.同 理在t4时刻由D2、D3转在il连续的状态下，随着fx变高， 输出功率明显变大，故设计者一般均把额定输出状 态设定在这种条件下。综上分析，由于电感作用，主回 路开始导通瞬间电流为零，关断时，由于电流在关断 IGBT前过零，所以IGBT关断时其上已无电流流过。这时的

5、电流由IGBT 上并联的续流二极管中流通，IGBT能实现零电流关断， 其关断损耗理论上为零。此后，由于在二极管导通时， 另一组IGBT导通。IGBT电流接近于零，故开关损耗也接近 于零。三 、IGBT散热器设计当电除尘器电源输出电流供给负载工 作时，功率开关器件1GBT本身也要消耗功率。满负荷工 作时，IGBT将产生较篼的功率损耗。散热器设计要求将 IGBT功 耗转化的热量迅速而可靠地从基板传送到散热器上散掉， 确保IGBT的最高工作结温不超过允许温度，散热能力越 强器件所能承受的功率就越大，而器件的散热能力取决 于它的热传导特性 。其中Q总热阻。T一基板结温与环境温度之差。外 加散热器后，总

6、热阻Q包括以下几部分Q=Qc+Q：i+Qa其 中Qc-结到基板的热阻。Qi：基板到散热器界面的热阻。 Q A：散热器到周围空气的热阻。其中Ti器件结温。TA周围 环境温度。根据电源长时间大电流工作的情况，选定最 恶劣情况时的环境温度TA和IGBT额定功耗P，从上式可求 得所设计 的散热器到周围空气的热阻Qa，而Qc和4都是确定的，从 散热器手册中求得热阻Qa选定散热器尺寸和散热面积。 为减小热阻通常在IGBT模块基板与散热器界面之间涂上 导热硅胶， 外加轴流风机帮助散热，提高IGBT的耗散功率。四、IGBT 的过流保护IGBT在短路和过流时，如不迅速加以保护就 会导致器件失效，其主要原因有：器

7、件过压击穿、发生 擎住效应 、超过热极限。过压击穿：IGBT处在过流的大电流状态 下，若保护电路将其快速关断，极大的电流下降率di/dt 将在电路的感性元件、外电路杂散电感和内封电感上感 应出一个大小 为Ldi/dt的电压，过高的电压过冲会造成IGBT雪崩击穿， 使器件失效，对于常工作于篼压、大电流下的IGBT，防 止过流保护时，因快速关断造成过压击穿显得尤为突出， 无论 是降栅压的速度，即慢降压还是慢关断的速度都必须考 虑由此造成的电压过冲Ldi/dt.擎住：过流保护时，极大的 电流下降di/dt和极大的电压上升du/dt容易造成寄生晶闸 管的触通，一旦发生擎住现象，即使在IGBT栅极加上一

8、 5V的关断电压，也无法使其关断，为避免发生擎住，关 断速度应受到限制。热损坏：有过流，保护关断这段时 间内，IGBT同 时承受大电流和高电压器件热功耗急剧增加，为了防止 热损坏，过流的时间也受到限制。当IGBT出现过流时， 先将其栅极驱动电压降低，然后再将其关断，这种保护 有两大优点，一是延 长了IGBT能够承受过流时间，二是可以降低过流的幅度， 假若过流时，若仍保持全栅压驱动，则IGBT过流橱度大， 持续时间长，若将栅极驱动电压降低，则IGBT过流幅值 小，电 流很快回落，持续大电流的时间短。降栅压保护是IGBT 过流保护基本方法之一。降栅压带来问题是过流时器件 通态压降的升篼，这样管子瞬

9、时热损耗急剧增大，为防 止热损坏，这个时间 应足够短。慢降栅压保护是指降栅压保护时、栅极驱动 电压Uge由正常电压下降到保护时低电压。申压下降速度 不能太快，这主要是为了避免擎住效应和防止di/dt引起 的电压过冲。 慢关断是指器件的关断速度，对应于栅极是驱动电压由 保护栅压到关断栅压的下降过程，慢关断保护也是为了 防止过压冲击和擎住效应。IGBT处于过流状态时，不同 的关断速度di/d t引起的电压Uce过冲不同，关断速度越慢，电压过冲越 小，慢关断保护也是IGBT过电流保护的基本方法。五、 IGBT驱动保护栅极正向驱动电压+Uge是一个重要的参数， 必须 正确选择。因Uge增大时IGBT承

10、受短路或过流的时间减小， 对其安全不利，因此+Uge要综合考虑，一般选+12+15V 为好。在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电 荷，须施加一负偏压一Uge，但它受IGBT的GE间最大反向 耐压的限制一般取一2一10V为好。为了改善控制脉冲 的前后沿陡度和防止振荡，减小IGBT集电极大的电压尖 脉冲 ，需要在栅极串联电阻Rg（Rg指图四艮、民、艮、艮）， 当Rg增大会使IGBT通断时间延长，能耗增加。但若减小 Rg会使di/dt增大，可能引起触发误导通或损坏IGBT， 因此，应根据电流容量和电压定额及开关频率的不同选 择合适的Rg值，一般Rg取十几欧至几十欧。因IGBT是压 控器件，当集

11、射间加有篼压时很容易受到外界干扰使栅 射间电压超过一 定值，引起器件误导通，尤其在桥式变换器中，易使同 臂直通短路。为了防止这种现象的发生，在栅射间并联 一电阻Rge（Rge指图四、。、私艮可起到一定作用，一 般Rge取100 05000欧，而且应将它并联在栅射极最近处，此外，在栅 射间并联两只反向串联的稳压二极管，也可对驱动电路 出现的高压尖脉冲起到一定的抑制作用。驱动电路与控 制电路在电气上应 严格隔离。控制IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用。 最好自身带有对被驱动IGBT的完整保护能力，并有很强 的抗干扰性能，其输出阻抗应尽可能低，其引至IGBT模 块的引线 尽可能短，引线应采用绞线

12、式同轴电缆屏蔽线。六、 IGBT开关瞬态电压抑制IGBT在开通瞬间将受到浪涌电流的 冲击。形成浪涌电流的原因有二：一是在IGBT开通瞬间， 集电极电 流上升速度（di/dt）增大。二是尖峰电压吸收网络充放 电电流叠加在开通的IGBT管的集电极电流上形成电流尖 峰。浪涌电流的特点是时间极短，而峰值很大，它是构 成威胁IGB T安全运行的主要原因之一。在IGBT关断时，存储在布线 漏感和高频变压器漏感中的能量将释放，它和集电极回 路电容形式阻尼振荡，该电压叠加在关断电压上形成集 电极关断尖峰电压 ，其值可能超过IGBT的耐压能力，导致晶体管损害，所 以在设计和制造过程中通常在IGBT的C一E间反向并联钳 位续流二极管和吸收电路，以限制电