串联谐振逆变器在中高频电除尘电源的应用
中国硅酸盐学会环境保护分会学术年会论文集 2007拄
串联谐振逆变器
在中高频电除尘电源的应用
栾松张海峰
(大连电子研究所116021) 【摘要】 功率器件的可靠运行是电除尘电源设计争制造过程中的一项关键技术。必须对其进行夸理设计和有数保 护。本文主要介绍串联谐振电路原理、功率器件保护厦其注意事项。
t
电源基本一致,其不同之处仅仅是在变压器原边电 一、引言
路中串联一个LC电路,然而变换器的工作状态却
中高频开关电源作为一种电源变换装置,用途 由此发生很大变化,图一所示电路是全桥串联谐振 非常广泛。它的发展与电力电子器件,控制理论,微 电路。
处理器等学科与技术的发展状况紧密相连的。 假定q、q在h时刻导通,此时电源已通过
在电除尘器领域,随着中高频开关电源的发展,q、T、L、c、q形成回路,由于回路中存在电感L和 国
电容C。所以通过变压器T原边的电流i-呈正弦规 内外许多单位纷纷开始研制,生产大功率中高频律变化,如图二所示,当it到0后,由于LC谐开关电源。因电除尘器电源的输出频繁工作在短路、
振电燃弧渡载状态,输出电流较大。主回路开关元件的 路的特点,此时电容c上的电压会高于电源电压, 开关
故“反向通过D。、D‘又流回电源。仍呈正弦规律变 应力较大。随着开关和功率的提高,开关损耗剧增,因而,
化,在此期间,应撤除Q1、Q‘的驱动信号,当i-再度 控制大功率、高频率、负载不稳定中高频开 关电源难度较
到零后,由于q、q此时已关断不能形成谐振回路。 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。 故i1的自由振荡频率为fo=wo,2=,woz=LC,电
的工作周期?一2(h—h),q—Q的开关频率fx=a, 谐振式电路的拓扑形势较多,与硬开关控制方 路
式相比,其特点主要是开关损耗较低,可使工作频率
大大提高。在谐振式电路的拓扑形式中,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题
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。
田一二、串联谐振工作原理
当i1流过T时,T产生相应的副边电流,经
采用全桥电路结构,其电路与普通的全桥开关
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所以IGBT关断时其上已无电流流过。这时的电流 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。 由IGBT上并联的续流二极管中流通,IGBT能实
零电流关断,其关断损耗理论上为零。此后,由于在 现
二极管导通时,另一组IGBT导通,IGBT电流接
于零,故开关损耗也接近于零。 近
当电除尘器电源输出电流供给负载工作时,功 r卜 三、IGBT散热器设计
率开关器件IGBT本身也要消耗功率。满负荷工 作 时,IGBT将产生较高的功率损耗。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 卫一‘(日(一。图二到散热器上散掉,确保IGBT的最高工作结温不超
由图二可见,在Q^一q开通和关断时刻(h、b、 过允许温度,散热能力越强器件所能承受的功率就 ?b、h)流经它们的电流为零,这样,在理论上Q—Q 越大,而器件的散热能力取央于它的热传导特性。的开通损耗和关断损耗均为零。 Q一,XT,P r在图二中i1是断续的,此时,2fx<:fo,实际上, 人们为了使电源工作在更高频率其中Q一总热阻。
D1、n(或?T-一基板结温与环境温度之差。 上,往往在二极管
D2、D3),导通期间就使Q、Q(或q、q)导 通,这是电流i,的波形如图P一器件的功耗。
三所示,此时2fx>fo,i- 连外加散热器后,总热阻Q包括以下几部分 续,图三中t0一tl期间Q1、q导通,tl、t2期间Dl、 D4导通,在t2时刻,使Q、Q一(k+Q,+Q一
i,由 龟导通,此时电流其中q一结到基板的热阻。Qi:基板到散热器界
移到D,、Dt转移到Q、Q。同理i-在h时刻由Dz、Da转 面的热阻。Qn:散热器到周围空气的热阻。 Q、q。 器件所允许的功耗:
P一(Tj—TA),((k+Q(+Q,)
其中1j器件结温。TA周围环境温度。 根据电源
长时问大电流工作的情况,选定最恶
劣情况时的环境温度TA和IGBT额定功耗P,从
式可求得所设计的散热器到周围空气的热阻上Qa,而 q和Q(都是确定的,从散热器手册中求得
热阻Q一 选定散热器尺寸和散热面积。为减小热
IGBT模块基板与散热器界面之间涂上导阻通常在 热硅胶,外
加轴流风机帮助散热,提高IGBT的耗散功率。目一 斜目
崮三 四、IGBT的过流保护
在i1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 (1)、IGBT的失效机理
种条件下。 IGBT 在短路和过流时,如不迅速加以保护就会
综上
分析
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,由于电感作用,主回路开始导通瞬间 导致器件失效,其主要原因有:器件过压击穿、发生 电流为零,关断时,由于电流在关断IGBT前过零,
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过冲不同,关断速度越慢,电压过冲越小,慢关断保擎住效应、超过热极限。
护也是IGBT过电流保护的基本方法。 1)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ca,at 将在电路的感性元件、外电路杂散电感和
五、IGBT驱动保护 上感应出一个大小内封电感
Ldi,dt的电压,过高的电压过为
冲会造成IGBT雪崩击穿,使器件失效,对于常工作 (1)栅极正向驱动电压+Uge是一个重要的参
数,必须正确选择。因Use增大时IGBT承受短路于高压、大电流下的IGBT,防止过流保护时,因快速
过流的时间减小,对其安全不利。因此+Uge要综合 关断造成过压击穿显得尤为突出,无论是降栅压的 或
速度,即慢降压还是慢关断的速度都必须考虑由此 考虑,一般选+12一+15V为好。 造成的电压过冲Ldi,dt。 (2)在关断过程中,为尽快抽取PNP管中的存
2)擎住:过流保护时,极大的电流下降ca,at和 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一2一一10V为好。 极大的电压上升du,dt容易造成寄生晶闸管的触
(3)为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振 通,一旦发生擎住现象,即使在IGBT栅极加上一5V
的关断电压,也无法使其关断,为避免发生擎住,关 荡,减小IGBT集电极大的电压尖脉冲,需要在栅极 断速度应受到限制。 串联电阻Rg(Rg指图四R5、风、R,、Rs),当Rg增
大
3)热损坏:有过流,保护关断这段时间内,IGBT 会使IGBT通断时间延长,能耗增加。但若减小P(g
会使ca,ca增大,可能引起触发误导通或损坏IGBT, 同时承受大电流和高电压器件热功耗急剧增加,为 了防
因此,应根据电流容量和电压定额及开关频率的不 止热损坏,过流的时问也受到限制。
(2)、过流保护方法 同选择合适的Rg值,一般Rg取十几欧至几十欧。
1)、降栅压保护 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
晦曼 冰辩 长了IGBT能够承受过流时间,二是可以降低过流 一丰白 “,幸恼 Vt丰即聱、= 的幅度,假若过流时,若仍保持全栅压驱动,则IGBTVDl( 一ri[卫J 、脚
善管 u丰俨“ 上c( 壤 时间短。降栅压保护是IGB'T过流保护基本方法之辆则IGBT过流幅值小,电流很快回落,持续大电流的 毒戊
过流幅度大,持续时间长,若将栅极驱动电压降低,
一。降栅压带来问题是过流时器件通态压降的升高, 这样管子瞬时热损耗急剧增大,为防止热损
图四全桥变换器中逆变典型电路 坏,这个时间应足够短。 (4)因IGBT是压控器件,当集射问加有高压时 2)、慢降栅压保护很容易受到外界干扰使栅射间电压超过一定值,引 慢降栅压保护是指降栅压保护时、栅极驱动电 起器件误导通,尤其在桥式变换器中,易使同臂直通 压USe由正常电压下降到保护时低电压。申压下降 短路。为了防止这种现象的发生,在栅射间并联一电 速度不能太快,这主要是为了避免擎住效应和防止 阻R萨(Rge指图四,、Rla,R1t、R-z)可起到一定作 di,dt引起的电压过冲。用,一般Rge取1000,5000欧,而且应将它并联在 (3)慢关断保护 栅射极最近处,此外,在栅射间并联两只反向串联的 慢关断是指器件的关断速度,对应于栅极是驱 稳压二极管,也可对驱动电路出现的高压尖脉冲起 动电压由保护栅压到关断栅压的下降过程t慢关断 到一定的抑制作用。 保护也是为了防止过压冲击和擎住效应。IGBT处于 (5)驱动电路与控制电路在电气上应严格隔离。 过流状态时,不同的关断速度di,dt引起的电压Uee ——274——
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(6)IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用。 衡的,换句话说,即在对应的位置所流过的电流是不 最好自身带有对被驱动IGBT的完整保护能力,并 相等的(尽管各自流过方向相反的电流)即使母线的 有很强的抗干扰性能,其输出阻抗应尽可能低,其引 大小和面积相仿。母线的电感也不可能减小到最小,
至IGBT模块的引线尽可能短,引线应采用绞线式得不到预期的效果。因此在很多情况下。引出线都设同轴电缆屏蔽线。 计在母线的同一侧,但考虑到接拆线的方便,上下引
出线不得不适当错开位置,无法做到完全重合。 六、IGBT开关瞬态电压抑制
八、串联谐振在应用中注意几个问题
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 (1)主回路的分析计算较复杂,与硬开关方式 极电流上升速度(di,dt)增大。二是尖峰电压吸收网 比,电路的工作方式较复杂,数学分析较繁,主回路
络充放电电流叠加在开通的IGBT管的集电极电流 中各元件的工作电流、电压数值不直观。 上形成
(2)主回路电流连续时,会出现二极管反向恢复 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IGBT安全运行的主要原因 问题。例如,在i,导通,D-D4流回电源时开通QQ, 之一。 此时由于D,D4存有大量的载流子。所以并不能马上
在IGBT关断时,存储在布线漏感和高频变压 反向截止,因此Qq在开通时承受着很高的电压, 器漏感中的能量将释放,它和集电极回路电容形式 而且电流也很大。当D-n恢复结束时,这个短路电 阻尼振荡,该电压叠加在关断电压上形成集电极关 流迅速减小,又会在Qzq上产生较高的电压尖峰。 断尖峰电压,其值可能超过IGBT的耐压能力,导致 这些尖峰电压、电流不利于电路的安全工作,必须加 晶体管损害,所以在设计和制造过程中通常在IGBT 以抑制。 的C—E间反向并联钳位续流二极管和吸
(3)需要灵敏可靠的电流过零检测。 以限制电收电路,
压峰值。 (4) 控制电路较复杂。 七、降低母线分布电流方法 九、结论
(1)采用叠层式母线 综上所述。由于串联谐振型电源的特点,就为人
将电流反向的母线相叠,并尽可能靠近,中间用们进一步提高电源工作频率和电除尘电源的优点提 绝缘
供了一条有效的途径,因此,值得我们大力完善,并 材料垫开。从电磁学原理上可知,当上下导线母
线形状,面积相近,则二者产生的磁场将相抵消。理 应用于产品中。 论上这时的母线
参考更献电感为零。
(2)增大母线宽,长比 (1)尹海,串联谐振式变换器在弧焊电源中的应用(工艺与应
缩小母线长度固然能减小母线电感,而在很多 用,1996年第3期
情况下,有意将母线展宽,对减小母线电感有很显著 (2)卢红,粱任秋,IGBr驱动保护与应用技术,电力电子技术, 的效果。同时母线之间间隙的减小,也有助于电感减 1993年第二期
小。详细推导见参考文献“,。 (3)俞阿龙,IG阱’在大功率DC-DC全桥变换器中的驱动与保
综上所述,就不难理解为什么在大电流场合通 护技术,电工技术杂志,2000年第9期
常都采用板状母线而不采用圆导线。 (4)戴育航,IGBT中频变频装置及其在感应加热钡域中的应
(3)正确的引线位置 用,加热设备。2002年第l期。 引出线位置的确定依据是保
(5)张宗桐大容量IG?、逆变器的开关暌态电压抑止,电气传 证电流在母线内能
保持均衡,可以想象在上下层母线内部电流是不均 动自动化1998年报11月
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