IGBT大功率E类逆变器

当 V Q1 关断时, 因 V Q 1 的两端并联着一个较 大的电容 C 1, C1 上的电压 由零缓慢 上升, 从而使 VQ1 在关断电流拖尾期间, 两端的电压上升幅值受 限, 从而大大降低了关断损耗。
关断期间, L 2, C2, R 和 C1 形成了一个闭合的 谐振回路继续谐振, L 1 对谐振回路充电, 补充谐振 能量。当 C 1 上的电压又谐振到零时, V Q 1 导通, 从 而实现了开关管的零电压开通, 且大大降低了开通 损耗。至此, 电路完成了一个完整周 期的工作, 在 R 上得到了一个完整的正弦波输出。为了使输出 波形的正半周和负半周时间相同, 一般取开关的占 空比 D = 0. 5。
电力电子技术 Power Electr onics
Vo l. 37, No. 6 December , 2003
据负载大小的不同, 有图 2 所示的 3 种不同工作状 态, 具体分析如下:
( 1) 最佳状态 如图2a所示, 当 R 为最佳负载R OPT 时, 开关管两 端电压在开关管开通时恰好谐振到零( 同时 dv / dt = 0) , 所以是零电压开通, 这时的开关损耗最小。 ( 2) 准最佳状态 如图 2b 所示, 当 R < R OPT 时, 开关管两端电压 在开关管开通前就已谐振到零, 这时并联在开关管 两端的反向二极管导通; 将开关管两端的电压箝位 在零直到开关管开通, 这种情况下仍然是零电压开 通, 开关损耗还是比较小的。另外, 开关管两端电压 在开通时谐振到零, 但 dv / d t 不为零, 这种情况也 属于准最佳状态。 ( 3) 失调状态 如图 2c 所示, 当 R > R OPT 时, 开关管在两端电 压还未谐振到零之前就开通, 所以不是零电压开通, 这时 C1 上存在的正向电压直接对导通的开关管放 电, 会对开关管造成很大的电流冲击, 不仅这时的开 通损耗很大, 而且严重的时候还有可能损坏开关管, 所以这种情况是不允许的。
图 5 示出实 验结果。其 中, 图 5a 为 R = 40 时, 电路工作在最佳状态时开关管上的电压、电流波 形。可见, 开关管实现了零电压开通和关断后, 两端 的电压以有限的斜率上升, 从而大大降低了开关上 的损耗。图 5b 为电路处于最佳状态下的电路输出 电压和 IGBT 上的电压波形。由图可见, 设计电路 可得到很好的正弦波输出, 同时在负载变化的情况 下, 开关管仍可工作在最佳和准最佳状态。图 5c 和 图 5d 分别为不同负载下的 IGBT 电压、电流波形。 由图 5c 可见, 当 R 小于 R OPT = 40 时, 开关管仍能 工作在最佳或准最佳状态。由图 5d 可见, 当 R 大 于 R OPT = 40 时, 开关管可工作在 准最佳状态, 从 电流波形上可见, 开通时电流不是从零开始上升的, 而是从负值开始的, 经过零增大到最大值。
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图 3 E 类逆变器的改进电路
图 4 示出并联 串联电路阻抗变换中等效的串 联电阻 R s 和串联电容 Cs 与并联电阻 R p 之间的对 应关系。由图 4 可见, 当并联电路的 R p 在一个很 宽的范围内变化时, 对应的等效串 联电路中 的 R s 只在一个很窄的范围内变化, 只要选取适当的变换, 就可使 E 类逆变器获得很宽的负载范围。
当 V Q 1 导通时, L 1 中的电流全部流过 VQ 1, 由 于 L 2, C 2 在 开通之 前已 经储存 了能量, 这时 L 2,
定稿日期: 2003- 07- 01 作者简介: 李 青( 1976- ) , 男, 新疆伊犁人, 硕士生, 研
究方向为电力电子。
C2, R 就形成了一个闭合的谐振回路, R 上就得到 一个正弦输出。此时通过 V Q1 的电流则为 L 1 中的 电流与 L 2, C2, R 谐振回路中的电流之和。
1引言
目前, 输出为正弦波的中频电源在工业生产中 得到越来越广的应用, 其输出频率往往要求在几十 千赫以上, 且输出功率要求也较大, 因此开关管的功 率损耗成为一个难以解决的问题。E 类逆变器的最 大优点就是可以在很高的频率下保持很高的效率, 因此具有广阔的应用前景。以往的 E 类变 换器主 要以场效应管作为开关管, 频率虽然可以很高, 但功 率容量很有限。这里将 E 类逆变器的高频 软开关 特性与 IGBT 的高电压、大电流特性相结合, 最后得 到了较大功率和较高频率的正弦波输出, 并且输出 频率和输出功率还有望进一步提高。
以往的 E 类逆变器因开关器件受到限制, 而 且工作状态难以控制, 往往只应用于高频小功率场 合。使用 IGBT 作为开关 管和采用 先进的电 路拓 扑, 可使 E 类逆变器应用于大功率电源的设计中。
IGBT 大功率高频 E 类逆变器可获得很好的 正弦波输出, 在需要大功率高频正弦波领域有广泛 的应用前景。
图 2 E 类逆变器的电压、电流波形
3 E 类逆变器的改进电路[2]
一般希望 E 类逆变器工作在最佳和准 最佳状 态, 而不工作在失调状态, 但 传统的 E 类逆 变器只 有在很窄的负载范围内才能工作在最佳和准最佳状 态, 但实际当中, 负载往往会有较大的变化。为使电 路在负载变化较大的情况下也能工作在最佳和准最 佳状态, 电路中使用了图 3 所示的改进型 E 类逆变 器拓扑。E 类逆变器的改进电路工作原理与基本电 路相同, 所不同的是, R 两端并联了一个 C3, C3 在 此起到一个阻抗匹配作用, C3 和 R 的并联电路经 过阻抗变换可等效为一个电容和电阻的串联电路, 改进电路与基本电路是等效的。
2 E 类逆变器工作原理和工作状态[1]
2. 1 工作原理 图 1 示出 E 类逆变器基本电路拓扑。图中, L 1
的阻抗足够大, 因 而使流过的电流 为一个恒定值。 L 2, C2 为谐振元件, 在 R 上产生高频的正弦 波输 出。C 1 为外加电容, 目的是使开关管 VQ 1 工作在 理想状态。下面分析该电路工作原理。
图 1 E 类逆变器的基本电路
由上述分析可见, E类逆变器可大大减小开关管 的开通损耗和关断损耗, 并且电路结构简单, 使用一 个开关管, 就能容易地获得较高频率的正弦波输出。 2. 2 E 类逆变器的 3 种工作状态
E 类逆变器的工作状态受负载的影响很大。根
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第 37 卷第 6 期 2003 年 12 月
图 4 并联 串联阻抗变换中 R s, C s 与 R p 的对应关系
4 实验结果
实验电路采用图 3 所示 E 类逆变器的改进电 路拓扑, 电路元件参数为: C 1= 37. 5 nF, C 2= 55 nF, C3= 90 nF, L 2= 125 H, L 1= 0. 7 mH 。电路采用型 号为 SKM150GB2400D 的 IGBT 作为开关器件, 驱 动信号频率为80 kHz, 占空比 D = 0. 5, 输入直流电 压 为 400 V。实 验 结 果 较 为 满 意。 实 验 中 获 得 8 kW, 80 kH z的正弦波输出, 电路达到了设计要求。
图 6 负载特性曲线和最佳负载下的调频调压特性曲线
5结论
叙述了将 IGBT 应用于 E 类 逆变器的 实验研 究。根据实验结果可得如下结论:
IGBT 在大功率工业电源中得到越来越广泛 的应用, 但因其开关损耗还是较大, 所以很少能在高 频下稳定工作。将 IGBT 应用在 E 类逆变器中, 开 关管以软开关方式工作, 即在零电压条件下开通、关 断时, 电压以有限斜率上升, 开关损耗较小, 从而可 使 IGBT 开关管在高频下稳定工作。
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Vo l. 37, No. 6 December , 2003
IGBT 大功率 E 类逆变器
李 青, 刘 平
( 西南物理研究院, 四 川 成都 610041)
摘要: 研究了以 IGBT 作为开关管的 E 类逆变器。利用 E 类逆变器的软开关特性, 使 I GBT 在更高的频率下稳 定工 作; 利用 I GBT 的高压大电流特性, 使 E 类 逆变器 获得较 大功率的 正弦波 输出。文 中分析了 这种电 路的工 作 原理和特性, 给出了实验结果。
对阻值从 1~ 10 k 变化范围内的负载做了电
I GBT 大功率 E 类逆变器
路实验, 取得了满意的结果, 开关管都可以工作在最 佳或准最佳状态。
电路。
图 5 实验结果
图 6 示出负载特性曲线和最佳负载下的调频调 压特性曲线。图 6a 为输出电压和输出电流的负载 特性曲线。可见, 负载对输出电压、电流和输出功率 有明显影响, 只有在最佳负载附近, 才能得到最大的 功率输出。所以, 当实际的负载和电路的最佳负载 相差较大时, 要通过合适的负载匹配将实际负载变 换到最佳负载附近。同时可见, 当负载阻值较大时, 输出电压保持在一个相对稳定的数值, 约为输入电 压的 3 倍左右。图 6b 为 IGBT 开关管工作时峰值 电压 V p 和峰值电流 I p 的负载特性图。可见, 负载 的变化对开关管的电压和电流有明显的影响, 负载 阻值较小时, 开关上的电压峰值较小, 一般为输入电 压的 3~ 4 倍, 正向通过开关管的电流峰值也较小。 当负载阻值较大时, 开关上的电压峰值较大, 为输入 电压的 5 倍多, 同时, 正向通过开关管的电流峰值也 较大。因此应根据这种情况, 在负载变化较大时, 选 择较大电压和较大电流容量的 IGBT 开关管, 确保 电路安全工作。图 6c 为该电路在最佳负载下的调 频调压特性曲线。可见, 在最佳负载的情况下, 当开 关频率在小范围内改变, 可以导致输出电压发生较 大的变化, 能够实现一定范围内的调压, 同时可保持 开关管工作在最佳或准最佳状态。但是, 调节频率 应在一定的范围内, 同时, 负载变态而损坏。所 以, 通过调频来调压应在负载变化不大的情况下进 行, 若负载变化较大且又要调压, 建议另加前级调压
关键词: 绝缘栅门极晶体管; 逆变器/ 软开关 中图分类号: T M 464 文献标识码: A 文章编 号: 1000- 100X( 2003) 06- 0071- 03