基于IGBT的双管正激软开关电源的设计.docx
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基于IGBT的双管正激软开关电源的设计
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发布于:
2010-12-915:
07:
52作者/来源:
徐薇【字体:
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徐 薇1,付博文1,刘 丹2
(1.吉林铁道职业技术学院,吉林吉林 132000;
2.东丰县职业高中,吉林东丰 136300)
摘 要:
文章提出了一种新型的基于IGBT的双管正激软开关电源电路的设计方案,分析了该电路的工作原理,介绍了电路的性能特点及措施,实际应用表明,该电路具有一定的可行性和实用性。
关键词:
IGBT;双管正激;开关
中图分类号:
TM564 文献标识码:
A 文章编号:
1671-8089(2010)05-0049-02
本文研制的是一种利用软开关技术制成的一个集成电源块,该电源块所依据的是现代先进的双管正激软开关技术,该技术在传统的软开关技术上增加了两个IGBT管,使用这个管的目的是为了该电源块的开关频率能够提高,相应地,由谐振电容C、谐振电感L组成了谐振电路,增加了该电源块的谐振频率。
同时,要求该谐振频率也与开关频率相配合,实现开关管在高频下满足电压的取值为零时的开通和关断,大大减小了该电源块的开通、关断损耗及噪音,克服了原始电源的缺点,紧随当今电源发展的轨迹。
在此电源块中,使用了两个IGBT来实现双管正激的功能,弥补了单管正激电路的各种不足,每个IGBT两端加设的即为电源电压,电路工作可靠性高,有效地克服了半桥及全桥电路普遍存在的桥臂直通的弊病。
IGBT相对于其它的功率器件来说,比如GTR、MOSFET功率器件,不用非得和其它元器件相并联,尤其是对于GTR来说,元件功率容量很大,在我们设计的软开关电源块中,开关开通和关断变得更加快速,而且在速度提高的前提下,并没有额外地增加类似于其他元器件的驱动电路,在彻底实现其强大功能的同时,并没有改善电路本身的复杂程度,综合上述各方面介绍,该电源块在可靠地输出设计的电源应该输出的电压及电流的前提下,降低了制做成本,占用的空间微乎其微,在实际的应用场合中有着很强大的用途。
一、IGBT驱动的基本要求
为了更好的用软件来灵活的控制IGBT全桥转换的驱动电路,需注意如下的因素:
1、对动态驱动的要求。
只有使前后沿驱动脉冲的波形更陡峭,才能降低整个开关电路的损耗值。
因为栅源电路的材质主要是由电容组成的,因此控制整个的关键所在也就是控制电容的充放电,所以要求驱动器必须在瞬间内完成对电流的释放和吸收,这样才能达到使栅源电压在短时间内的提升和降低,使整个IGBT的功率消耗降到最低的水平。
2、要求IGBT提供幅值相同,方向相反的电压。
为了使IGBT的通态损耗降到最低,我们就通过改变和的电压值,来达到目的,加速关断瞬间和进程,更好的增加IGBT的耐压和抗干扰能力。
3、电气隔离。
由于电网会产生50Hz的工作频率,这种频率会对IGBT造成什么样的影响呢?
很明显,答案是直接的。
那么,怎样才能使管子正常工作呢?
通过研究,我们研究出了一种电器隔离装置,能够满足我们的需要,帮助我们处理掉因为这个频率而给我们带来的烦恼。
4、驱动栅极电阻凡的选择。
为了使栅源的前后沿陡峭电压的陡峭程度够用,必须在电路的回路中串接电阻凡,用其来调节,来降低控制开关的损耗。
合理的调整电阻凡的大小,可以控制开关的功率损耗。
电阻凡的取值应由开关频率、额定电压和电流容量来决定。
5、驱动电路的保护能力。
一旦发生短路故障时,较大的短路电流会对驱动电路造成损坏,因此应加强电路的保护能力。
二、器件的选择
1、主功率器件(IGBT)型号的选择。
根据电路的输出要求及IGBT所承受的电压、电流,选择IRGBC40型开关管。
总体规划来看,此种类型的绝缘栅双极晶体管的参数与电路的要求基本一致,因此在全面考虑了电路的整体工作性能后,选择IRGBC40型开关管对提升电路的性能最有帮助。
2、开关二极管的选择。
开关二极管是利用PN结单向导电性而完成电流开关功能的一种二极管。
根据二极管通过的电流及承受的电压值,选择2AK6型开关二极管。
三、电路主要参数的计算
由于双管正激软开关变换器的电路是通过改变谐振网络的结构,以此来实现主功率开关管的零电流开通和零电压关断。
因此,该谐振电路则是变换器设计的重点。
为了有效设计双管正激软开关变换器,需计算谐振电感与谐振电容的参数,以及有关工作阶段的持续时间。
设计过程可遵循以下步骤:
Lr,Cr的计算 式略
开关管VT1、VT2利用Cr两端电压箝位的作用实现了零电压关断。
由于VT1、VT2的彻底关断需要一定的时间,所以要求在VT1、VT2的关断过程中,其电压上升的不多,可得出为了保证VT1、VT2零电压关断对Cr提出的要求,即
式中,为VT1彻底关断的时间;为VT1关断过程中,允许电压上升的最大值。
以主功率开关选择IRGBC40为例,用其下降时间作为toff,toff=3ns,取,根据上式,应有
Cr>103/20=1.5pF,取Cr=2pF
再根据Z0表达,Z0=:
Lr=(Z0)2Cr=(40)22pF=3.2μH
为了防止输入电压波动,取Lr=5μH。
四、电路的性能特点
由于电路中存在电感的作用,电流不能从工作值突变到零值,也不能从零突变到很大的值,这个变化规律主要体现在主要控制元器件IGBT的开通过程及关断过程中,也就是说,在它电压已经变为零后,持续一小段时间,电流才会发生缓慢的变化,这时电压和电流就不会产生重叠,也就是没有损耗功率的产生,这就实现了软开关中的零电压开通或零电压关断,而且电压的变化可以自动调整,软开关需要输出的电压可以在一定范围内实现。
五、双管正激软开关电源
该变换器基本工作原理如图所示,图3-1示出的是我们介绍的用软开关技术及谐振电路组成的双管正激电源块的电路原理简图。
此电路引用了常规的双管正激电路(硬开关电路),但是并不是单纯地在原来的双管正激电路上作以改动,通过加设谐振电感及谐振电容,在它们满足谐振条件时,整个电路处于谐振状态,电路此时存在一个谐振频率,通过此频率来对电路的主要器件IGBT的开关频率作出辅助加控制,这样就充分地实现软开关技术
双正激变换器软开关拓扑的分析与评价
2011-12-2320:
21:
33作者:
毛赛君王慧贞来源:
互联网
关键字:
双正激变换器;组合变换器;软开关
1.引言
双正激变换器克服了正激变换器中开关电压应力高的缺点,每个开关管只需承受输入直流电压,不需要采用特殊的磁复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位。
它的每一个桥臂都是由一个二极管与一个开关管串联组成,不存在桥臂直通的危险,可靠性高。
因此双正激变换器具有其它变换器无法比拟的优点,成为目前中大功率变换器中应用最多的拓扑之一。
双正激组合变换器通过对双正激变换器进行并、串组合,可以克服其占空比只能小于0.5的缺点,提高变压器的利用率和变换器的等效占空比,适合应用于高输入和输出电压的大功率场合[1,2]。
现代电源的发展方向是高频化、小型化、模块化、智能化,实现变换器的高功率密度、高效率和高可靠性。
提高开关频率,减小磁性元件的体积和重量是提高变换器功率密度的有效措施。
但是在硬开关状态下工作的变换器,随着开关频率的上升,一方面开关器件的开关损耗会成正比地增大,无源元件的损耗大幅度增加,效率大大降低;另一方面,过高的dv/dt和di/dt会产生严重的电磁干扰(EMI),影响变换器的可靠性。
为了改善高频变换器开关的工作条件,减小开关损耗和电磁干扰,各种软开关技术应用而生,包括无源软开关技术与ZVS/ZCS谐振、准谐振、ZVS/ZCS-PWM、ZVT/ZCT-PWM等有源软开关技术。
近年来国内外广大学者对双正激及其组合变换器的软开关技术进行了大量的研究。
软开关拓扑大体上可分为三类,即应用无源辅助电路的无源软开关拓扑;应用有源辅助电路的有源软开关拓扑;不需辅助电路的软开关拓扑。
本文系统地分析了这三类软开关拓扑,指出各种拓扑的特点和适用场合,给出简单的分析和评价,并选择了一种新型的ZVS双正激组合变换器,作为高压直流输入航空静止变流器DC/DC级拓扑,成功研制了一台4KW的双正激组合变换器,满载时效率高达95.51%。
2.应用无源辅助电路的无源软开关拓扑
2.1 原边箝位型ZVZCS双正激变换器
文献[3]提出了一种原边箝位型ZVZCS双正激变换器如图1所示。
原边箝位电路由辅助电感Lr和两个箝位二极管D3、D4组成。
图1原边箝位型ZVZCS双正激变换器
S1和S2开通时Lr的电流从零开始线性上升,从而减小了D6关断时的di/dt和电压尖峰,S1和S2为零电流开通。
S1和S2关断时负载电流对开关管的结电容充电,S1和S2为零电压关断。
该拓扑的优点是:
通过简单的无源箝位电路减小了副边续流二极管反向恢复引起的电压尖峰,降低了电磁干扰,实现了开关管的零电流开通和零电压关断,适合应用于高压输出的大功率场合。
缺点是变换器的开关管为容性开通。
2.2 一种双正激电路的软关断拓扑
文献[4]提出了一种双正激电路的软关断拓扑如图2所示。
通过比开关结电容大得多的谐振电容C1、C2限制开关电压的上升速度,从而实现开关管的ZVS关断。
由Lr、C1、C2D3、D4和D5构成的箝位电路是无损的,并能将变压器漏感所存储的能量全部返回到输入电源中。
但是开关管开通时,谐振电流从开关管流过,增加了开关管的电流应力,而且开关管为硬开通,对大功率双正激电路效率的提高有较大的实用价值。
图2一种双正激电路的软关断拓扑
2.3 无源ZVT双正激变换器
图3示出了一种无源ZVT双正激变换器[5],它通过在变压器原边增加辅助电路,实现开关管的零电压关断。
其工作原理为:
当两个开关管开通时,谐振电容Cr和谐振电感Lr通过开关S2及二极管D3谐振,将Cr上的电压改变极性,在开关管关断时,由于Cr比开关管的结电容大得多,因此限制了开关管电压的上升速度,从而实现零电压关断。
这种变换器的优点是不需要增加有源开关器件,因此电路简单。
但是由于在开关开通时,谐振电流要从下管S2流通,因此增加了下管的电流应力,而且开关管为硬开通,开通损耗较大。
图3无源ZVT双正激变换器
2.4无损缓冲ZVZCS双正激变换器
文献[6]提出了一种无损缓冲ZVZCS双正激电路如图4所示。
通过辅助电感Lr实现开关管的零电流开通,由谐振电容Cr实现开关管的零电压关断。
该变换器在整个负载范围内都可以实现软开关,通态损耗较小,而且缓冲电路是无损的。
图4无损缓冲ZVZCS双正激电路
2.5带能量吸收电路的软开关双正激变换器
文献[7]提出了一种开关管和副边整流二极管带能量吸收缓冲电路的双正激电路如图5所示。
无损吸收缓冲网络实现了原边开关管的零电流开通、零电压关断和副边整流二极管的零电流开通,并且副边整流二极管不存在电压尖峰和反向恢复损耗。
该电路结构比较复杂,需要附加2套缓冲电路。
图5带能量吸收缓冲电路的软开关双正激变换器
2.6桥臂互感型软开关双正激组合变换器
文献[8]提出了一种桥臂互感型软开关双正激组合变换器如图6所示,将两个双正激变换器的串联组合,副边采用倍流整流电路,适用于高输入电压、低压大电流输出的场合。
开关管承受的电压仅为输入直流电压的一半。
利用耦合电感中储存的能量实现开的零电压开关,同时采用移相控制技术调节输出电压和实现软开关。
由于采用了带两个原边绕组的变压器,所以能够使变压器磁芯工作在双象限和实现输入电容电压的自动均压。
该电路的缺点是每个桥臂上的辅助电路增加了开关管的电流应力,电路的导通损耗比较大,辅助电路较复杂。
图6桥臂互感型软开关双正激组合变换器
2.7改进的桥臂互感型软开关双正激组合变换器
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- 关 键 词:
- 基于 IGBT 双管 正激软 开关电源 设计