關(guān)斷的問題:1.關(guān)斷損耗 2.關(guān)斷過電壓 3.關(guān)斷過程中微分熱阻帶來的局部熱擊穿
接通的問題:1.并聯(lián)ZVS電容下接入的時(shí)機(jī) 2.共態(tài)導(dǎo)通問題 3.反向恢復(fù)的問題
借助串聯(lián)諧振回路,使得 IGBT 的工作條件大為改善:
1. 串聯(lián)全諧振變換器曾經(jīng)是上世紀(jì)60-70年代最流行的變換器,只要給出合適的死區(qū)時(shí)間,即可實(shí)現(xiàn)很好的軟開關(guān)變換. 現(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)給這一經(jīng)典的變換電路增添了不少活力,在控制方面解決了很多以前難以克服的困難,工程上應(yīng)用它的關(guān)鍵技術(shù)問題有三個(gè):
. ZCS 頻率追蹤控制(隨負(fù)載、電源漂移而調(diào)整工作頻率,讓換相始終處于接近零電流下的弱感性)
. ZVS 死區(qū)追蹤控制(因負(fù)載電流不同而調(diào)整死區(qū),實(shí)現(xiàn)零電壓接通,接近零電壓關(guān)斷)
. ZCS_ZVS 交替追蹤控制(既實(shí)現(xiàn)頻率追蹤又實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)死區(qū),具有良好的開關(guān)過度與調(diào)功特性)
2. 關(guān)斷過壓?jiǎn)栴}; 既使ZVS電容較大(103),當(dāng)分布電感較大時(shí)在荷載下關(guān)斷,仍然會(huì)在開關(guān)上激起高于電源幾百伏的浪涌電壓,震蕩頻率大約能達(dá)到幾兆,震蕩衰減很快,但強(qiáng)烈的震蕩也給開關(guān)帶來了顯著的額外損耗,改善的關(guān)鍵措施在于降低分布電感、放置較大的浪涌電流吸收電容(105-106);
荷載下關(guān)斷過壓 1 (ZVSC=103)
荷載下關(guān)斷過壓 2 (ZVSC=103)
3. ZVS 初步設(shè)定; 假設(shè) IGBT 下降時(shí)間為 180nS ,那么荷載下的過渡時(shí)間應(yīng)設(shè)為多少?比如過渡時(shí)間設(shè)定為 1 - 1.5uS ,當(dāng)然關(guān)斷損耗比較小,但是這樣的話,在空載下不能實(shí)現(xiàn)軟過渡,看到了嚴(yán)重的硬開通;
空載下嚴(yán)重的硬開通,散熱器很快就燙手了 (ZVSC=104)
荷載下的良好過渡 (ZVSC=104)
荷載下的艱難過渡 1 (由于過度太快,關(guān)斷損耗大 ZVSC=223)
荷載下的艱難過渡 2 (由于過度太快,關(guān)斷損耗大 ZVSC=223)
4. ZVS 關(guān)斷損耗問題 在最壞情況下,初級(jí)電流波形是鋸齒波,關(guān)斷完全發(fā)生在最高的峰值處,IGBT的關(guān)斷損耗可能達(dá)到整個(gè)開關(guān)損耗的90%以上;如果沒有 ZVS 過程,那么IGBT甚至沒有VMOS的輸出平均功率大!然而我最近不僅學(xué)會(huì)了使用ZVS過程,而且把它繼續(xù)推進(jìn)到了幾乎讓人難以置信的程度-------我將CBB474直接并聯(lián)到IGBT上進(jìn)行緩沖;
荷載關(guān)斷過程 (△V 只有 30V 小浪涌電壓 ZVSC=474)
在相同時(shí)基下的空載關(guān)斷過程 (ZVSC=474)
5. ZVS 下的硬接通問題; 硬接通問題是一個(gè)較難處理的問題.在沒有荷載的情況下,焊機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作,察看一下散熱器的溫度,馬上就意識(shí)到問題的嚴(yán)重性,有時(shí)空載下居然達(dá)到了溫度開關(guān)保護(hù)的程度!雖然 IGBT 硬接通要比硬關(guān)斷堅(jiān)強(qiáng)地多,但是來不及散出的熱量就直接威脅到了關(guān)斷過程的安全.處理這一問題的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)死區(qū);
空載下含有很少量硬開通的過渡 1 (ZVSC=103)
空載下含有很少量硬開通的過渡 2 (ZVSC=103)
空載下幾乎沒有硬開通的過渡 2 (ZVSC=103)
空載下幾乎沒有硬開通的過渡 3 (ZVSC=103)
較好的過渡 (ZVSC=103)
含有硬接通的過渡 (ZVSC=103)
良好的 ZVS 過渡一定是線性的 (ZVSC=103)
6. ZVS 動(dòng)態(tài)死區(qū) 超越固定死區(qū)的桎嚳、超越小ZVS電容的束縛,放置ZVS電容104 ,使邊沿諧振的關(guān)斷與接通不再殘酷!
空載下的慢過渡 1 (5uS) (ZVSC=104+103)
荷載下的快過渡 1 (750nS) (ZVSC=104+103)
空載下的慢過渡 2 (5uS) (ZVSC=104+103)
荷載下的快過渡 2 (750nS) (ZVSC=104+103)
7. ZVS 動(dòng)態(tài)死區(qū) 超越固定死區(qū)的桎嚳、超越小ZVS電容的束縛,放置ZVS電容474 ,使邊沿諧振的關(guān)斷與接通不再殘酷!動(dòng)態(tài)死區(qū)可以做到 25uS 以上,感亢降壓模式可以極高的開關(guān)效率連續(xù)工作;
良好的空載過渡 1 (ZVSC=474)
良好的空載過渡 2 (ZVSC=474)
良好的空載過渡 3 (ZVSC=474)
荷載載過渡 1 (ZVSC=474)
荷載載過渡 2 (ZVSC=474)
相同時(shí)基下的對(duì)比----空載過渡 (ZVSC=474)
ZVS電壓與電流的相位關(guān)系
8. 串聯(lián)諧振_ZVS 模式 三角波電流激勵(lì)負(fù)載,諧波分量高于正玄波;選擇合適的隔直電容,避免發(fā)生容性換向,輸出電流靠初級(jí)感亢降壓抑制,借助于重 ZVS 緩沖過程和動(dòng)態(tài)死區(qū)控制,可實(shí)現(xiàn)很高的轉(zhuǎn)換效率; 缺點(diǎn)有:1.調(diào)頻范圍太寬,產(chǎn)生一些意想不到的問題,如進(jìn)入可聞聲限等;2.初級(jí)有無功電流,回路利用率不夠高;3.當(dāng)初級(jí)電感太小時(shí),可能因負(fù)載抖動(dòng)產(chǎn)生很高的di/dt ,威脅到IGBT 的安全;4.一個(gè)十分重要的問題是減小流過 IGBT 無功功率的問題,顯然在有限容量的開關(guān)器件中存在無功分量減小了可用功率,無功電流與無功電壓都是重要的因素,但是完全失去無功分量后,就不存在“軟開關(guān)”了,ZVS方式減小了開關(guān)損耗,但是卻沒有設(shè)法減小無功功率分量;
電容部分放電后的變壓器(及附加電感)電壓(電容206)
負(fù)載回路的電流 (互感器 0.1A/mV)
9. 串聯(lián)諧振_ZCS 模式 很好的正玄波電流激勵(lì)負(fù)載,諧波分量最少;讓電容與電感發(fā)生少量或深度的的串聯(lián)諧振,換向在荷載下趨向于 ZCS-ZVS ,既使只使用簡(jiǎn)單的固定死區(qū)時(shí)間,只要給出的死區(qū)余量較大,也能極大地改善 IGBT 在重功率下的換向條件;這是實(shí)現(xiàn)重功率的主要手段,實(shí)現(xiàn)良好的換相條件需要諧振電容的峰值電壓等于激勵(lì)電壓的5-7倍,震蕩頻率譜系很純,頻率漂移也不快,非常適合數(shù)控,相信這是當(dāng)今技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)重功率變換的唯一策略;
在深度諧振下的電感電壓以及換向時(shí)機(jī) (輸入經(jīng)過100:1電壓互器)
在深度諧振下的電感電壓與次級(jí)輸出電容電壓
CH1:次級(jí)輸出電容電壓
CH2:初級(jí)電感電壓(輸入經(jīng)過100:1電壓互器)
頻率追蹤 01
頻率追蹤 02
頻率追蹤 03
頻率追蹤 04
頻率追蹤 05
頻率追蹤 06
頻率追蹤 07
頻率追蹤 08
頻率追蹤 09
頻率追蹤 10
頻率追蹤 11
頻率追蹤 12
10. 串聯(lián)諧振 ZCS_ZVS 交替追蹤控制模式 ZCS 頻率追蹤、ZVS 輔助換相、調(diào)頻調(diào)功;綜合了 ZVS 與 ZCS 的優(yōu)點(diǎn),適合廣泛的應(yīng)環(huán)境,易于調(diào)功,折衷地考慮開關(guān)損耗與諧振損耗,非常靈活;
電流波形 1
電流波形 2
電流波形 3
電壓波形 1
電壓波形 2
電壓波形 3
11. 設(shè)計(jì)自己的嵌入性控制系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)歷程
在串聯(lián)諧振變換實(shí)驗(yàn)中,我一直堅(jiān)持使用18V的峰值電平來驅(qū)動(dòng)IGBT的開啟與關(guān)閉;我的逆變實(shí)驗(yàn)從2003年的下半年開始,雖然經(jīng)歷了無數(shù)的挫折,但是我始終相信這一驅(qū)動(dòng)電平?jīng)]有問題,一直到現(xiàn)在,我還是這個(gè)觀點(diǎn);最近 IR 新型的IGBT柵極擊穿電壓界限達(dá)到了30V,看來柵極驅(qū)動(dòng)電壓可能還要更高一些;高的驅(qū)動(dòng)電壓是減小導(dǎo)通損耗的有效手段,導(dǎo)通損耗熱量是非常顯著的,通常一個(gè)單管都達(dá)到70W以上;當(dāng)然也只有在開關(guān)損耗很小的情況下才出現(xiàn),否則將忙于應(yīng)付開關(guān)損耗帶來的可靠性問題,而無暇顧及這導(dǎo)通損耗了;
驅(qū)動(dòng)波形 1
驅(qū)動(dòng)波形 2
實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的基礎(chǔ)問題
1.實(shí)現(xiàn)在重功率下深度諧振,降低換向時(shí)開關(guān)應(yīng)力,并實(shí)施頻率追蹤以充分降低串聯(lián)諧振回路的復(fù)阻抗來降低無功功率;
2.實(shí)現(xiàn)在幾乎所有情況下,換向時(shí)負(fù)載回路都呈感性;
3.實(shí)現(xiàn)在不同負(fù)載下的動(dòng)態(tài)死區(qū)調(diào)節(jié),以減少空載、小載下的接通損耗;
實(shí)際上難以克服的困難:
1.諧振回路的問題很多
a.諧振電容器發(fā)熱嚴(yán)重,電壓也很高,經(jīng)常爆漿、炸裂
b.電感器的繞組因趨膚效應(yīng)導(dǎo)致異常發(fā)熱嚴(yán)重
c.電感器使用閉磁路不能實(shí)現(xiàn),開磁路又對(duì)周圍元件影響嚴(yán)重
d.電感器用鐵粉芯類磁芯無法連續(xù)工作
e.電感器用鐵氧體類磁芯太易于飽和
f.借助于油浸、銅管水冷,可以解決問題但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜;
2.當(dāng)負(fù)載抖動(dòng)嚴(yán)重時(shí),變壓器時(shí)常工作處于飽和邊界之外,發(fā)出難以忍受的尖叫聲音
3.當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)功率小時(shí)就很不劃算:控制本身復(fù)雜、用料成本高、體積也不能做太小
選擇它的理由:
1.重功率變換的必經(jīng)之路,靜電除塵、高頻點(diǎn)焊、功率超聲等唯一可選電路結(jié)構(gòu)
2.可靠性高
3.功率可擴(kuò)展性強(qiáng),功率輕松擴(kuò)展到兆瓦級(jí),理由是很容易通過多個(gè)獨(dú)立諧振回路多相合成,均流誤差 < 5%
我個(gè)人的主觀傾向:
1.在大、中等功率下是最易于實(shí)現(xiàn)高可靠性的電路結(jié)構(gòu),出于可靠性考慮奮斗路程較短
2.比較易于結(jié)合數(shù)控,電路結(jié)合數(shù)控后有很多特色,如調(diào)頻、離散、多相合成等
3.我所開發(fā)的某幾種機(jī)器別無選擇地應(yīng)用這一結(jié)構(gòu),我也就比較熟悉一些,有親近感
4. 我看待產(chǎn)品設(shè)計(jì)的側(cè)重:性能>可靠性>可擴(kuò)展性>成本
luyuc 實(shí)驗(yàn)室
細(xì)節(jié)陸續(xù)刊出、實(shí)驗(yàn)繼續(xù)中
www.luyuc.com QQ:6231403
