|
|||||||||||
| 技術交流 | 電路欣賞 | 工控天地 | 數字廣電 | 通信技術 | 電源技術 | 測控之家 | EMC技術 | ARM技術 | EDA技術 | PCB技術 | 嵌入式系統(tǒng) 驅動編程 | 集成電路 | 器件替換 | 模擬技術 | 新手園地 | 單 片 機 | DSP技術 | MCU技術 | IC 設計 | IC 產業(yè) | CAN-bus/DeviceNe |
大功率諧振過渡軟開關技術變頻器研究（2） |
| 作者：輕輕紅過 欄目：電源技術 |
明正峰1，倪光正1，周文云2，黃曉東2，鐘彥儒2，童建利3 (1.浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027） (2.西安理工大學，陜西 西安 710048） (3.西安春日電氣有限公司，陜西 西安 710075） 1 概述 在軟開關技術三相變頻器電路的研究中，諧振過渡軟開關技術模式綜合考慮了PWM技術和軟開關技術的優(yōu)點，這種電路的基本構想是在保持傳統(tǒng)三相PWM逆變橋工作方式不變的情況下外加一個輔助的諧振電路。輔助諧振電路僅僅工作在逆變橋主功率開關器件工作狀態(tài)改變時一個很短的瞬間，所以對輔助電路中開關功率的要求很小，又能為逆變橋上的所有開關管和二極管狀態(tài)的改變提供軟開關條件。另外，諧振過程充分利用了逆變橋中主開關上的寄生電容和跨接的關斷吸收電容，所以，比較適合于現有的以IGBT為基本器件構成的三相電機驅動用變頻器電路。相對來說，是一種非常具有實用前途的軟開關技術變頻器結構。 2 零電壓過渡變頻器主電路的選擇 在主電路設計方案的選擇中考慮了以下的幾個因素。 1）性能價格比的提高 在三相變頻器中采用軟開關技術，一個最重要的目的就在于通過提高功率開關器件的開關頻率來改善變頻器的輸出性能，但是，為了實現軟開關技術，需要在傳統(tǒng)的硬開關技術變頻器電路中增加輔助諧振網絡。諧振網絡由諧振電感和輔助開關構成，輔助開關的增加，必然要導致成本的增加，當然，零電壓過渡變頻器雖然增加了幾個輔助開關和諧振電感，但又省掉了一些吸收元件。 2）控制方式的簡化 在三相軟開關技術變頻器中，增加了輔助開關，必然要為這些輔助開關設計控制電路，還需要按照一定的邏輯來實現。這種控制邏輯的復雜程度直接取決于主電路拓撲結構的選擇。 3）微控制器的可實現性 在現有的變頻器中，控制器大多采用16位的CPU單片機，雖然其運算速度越來越快（比如，現在常用的DSP微處理器可以達到執(zhí)行每條指令只需要50ns），但由于微處理器的硬件資源有限，所以，在軟開關逆變器主電路的設計中，輔助開關的數量選擇也是一個需要考慮的問題。比如，在拓撲中有的用了一個輔助開關，也有的用了6個輔助開關，各有各的優(yōu)點。另外，還要考慮輔助電感的損耗問題。所以需要綜合考慮。 4）研究思想的轉變 隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，功率開關器件的制造成本在大幅度地降低，微處理器的處理能力和硬件資源也得到了很大的發(fā)展，所以，對零電壓過渡三相PWM逆變器的電路拓樸的研究思想也在發(fā)生著轉變，研究人員改變了原來的只是盡量減少輔助開關數量以達到控制電路簡單的想法，繼而向著控制邏輯簡單，易于實現，具有實用化價值的方向發(fā)展。 本文中零電壓過渡三相PWM軟開關技術變頻器主電路的選擇如圖1所示。 圖1 ZVT-PWM三相變頻器主電路結構示意圖 在該種電路中，對于每相橋臂，增加一組諧振元器件：一個單向導通開關，一個諧振電感和一個阻斷或導通的二極管。這種電路相對于諧振直流環(huán)節(jié)變頻器結構來說，雖然對于每一相都需要一個輔助開關，但這個輔助開關的功率卻只有主開關的幾分之一，這是由于輔助開關的導通比很小�？紤]到開關頻率和諧振電感的設計，通常只有主開關體積的1/10左右。 3 零電壓過渡變頻器主電路的設計 從前面對零電壓過渡軟開關技術變頻器工作過程的分析中，可以得出以下在主電路設計中需要考慮的結論。 1）零電壓過渡軟開關技術在一定程度上借鑒了零電壓過渡DC/DC變換器的思想，就是僅解決功率開關器件關斷時的零電壓條件，而功率開關器件的關斷過程還是依靠在功率開關器件兩端并接吸收電容的方法來控制關斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復浪涌電壓，以此來減少功率開關器件的關斷損耗。但在功率開關器件開通時，零電壓條件的產生也和該吸收電容有關，此時的吸收電容成為諧振電路中一個很重要的諧振元件。所以，該吸收電容的選擇要綜合考慮各方面的要求，當然滿足功率開關器件的關斷吸收是首先應該考慮的。這在主電路的設計中需要借用硬開關技術變頻器的一些設計思路。 2）零電壓過渡軟開關技術的最明顯特點是減小了功率開關器件的開關損耗，而開關損耗在硬開關技術逆變器中的直接表現就是功率開關器件的發(fā)熱，所以，要合理地設計為功率開關器件散熱而使用的散熱器。軟開關技術變頻器中如何根據其工作過程來設計散熱器也需要借用硬開關技術變頻器中的一些思路。 為了更好地闡述零電壓過渡軟開關技術變頻器中主電路的設計，將以硬開關技術變頻器的設計思路為依據，采用對比的方法加以描述。 3.1 功率開關器件類型和參數的選擇 功率開關器件類型的選擇應該根據變頻器容量和對體積重量的要求來確定，還要考慮開關頻率，制造成本等多方面的要求。把MOS技術引入功率半導體器件帶來了一系列應用上的優(yōu)點。令人特別關注的是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），它已開始并在工業(yè)類、消費類和軍用類電力電子系統(tǒng)中產生了重要的影響。隨著IGBT在20kHz的硬開關中的應用以及頻率更高的軟開關中的應用，人們期待IGBT模塊能夠在許多應用領域中取代MOSFET模塊和雙極型達林頓模塊。IGBT已在1～10kHz這個以前由雙極型晶體管占主導地位的，功率高達1000kW的中低頻領域中得到應用。 在本文軟開關技術變頻器的主電路的設計中，考慮到負載的感性特征，我們采用將功率開關和其上反并聯的二極管一體化封裝的IGBT。 通常情況下，功率開關器件參數的選擇應考慮以下幾個方面的因素。 1）功率開關器件額定值（額定電壓和額定電流）的選擇 根據功率開關器件生產廠家提供的資料（比如，日本三菱公司的應用手冊），正確選用IGBT有兩個關鍵的因素：一是功率開關器件關斷時，在任何被要求的過載條件下，集電極峰值電流必須處于開關安全工作區(qū)的規(guī)定之內（即小于兩倍的額定電流）；二是IGBT工作時的內部結點溫度必須始終保持在150℃以下。在任何情況下，包括電機過載時，都必須如此。 2）功率開關器件的安全工作區(qū)（SOA）選擇 設計中很重要的一點是防止IGBT因過電壓或過電流而引起的損壞或工作的不穩(wěn)定。例如，用于電機控制和作為變壓器負載的變頻器或斬波器，IGBT有規(guī)范其開通過程和通態(tài)工作點額定值的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA），規(guī)范其關斷過程和斷態(tài)工作點額定值的反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）和規(guī)范其短路容量的短路安全工作區(qū)（SCSOA）。 3）各種降額因素的考慮 由于功率開關器件的實際工作條件同手冊中給出的指標的測試條件是不同的，因此，實際使用中功率開關器件能達到的指標同手冊中給出的指標相比都會有差別，實際使用中這些指標都會下降。引起器件降額的最主要因素是溫度，而降額最明顯的指標是功率開關器件的電流容量。由于半導體在較高的溫度條件下會變成導體從而失去電壓阻斷能力，因此，功率開關器件工作中管芯的溫度——結溫不能超過允許值，這一上限同管芯材料和工藝有關。功率開關器件使用手冊給出的電流容量通常是在殼溫為25℃，結溫為上限的條件下測得的數據，而實際使用時殼溫往往要高得多，結溫又必須與上限值保持一定的裕量，因此，允許的結—殼溫差要小得多，從而使器件實際允許的耗散功率大打折扣。由于耗散功率同流過器件的電流密切相關，因此器件實際允許的電流容量也就下降了。 在實際的設計中，應該計算出功率開關器件工作時的電壓和電流峰值，并根據安全工作區(qū)（SOA）來初步選擇器件的電壓和電流容量，然后根據估算的器件發(fā)熱功率和最高環(huán)境溫度估計器件工作時的殼溫，再根據殼溫來決定降額量。由于降額，可能需要將最初選定的器件容量放大，才能最終決定器件的參數�？紤]到工作時的電壓、電流的沖擊，器件的參數選擇應留有充足的裕量。另外，還要考慮IGBT生產廠家有關的生產規(guī)格。 根據圖1主電路的結構圖，功率開關器件選擇包括兩個部分。 1）相當于傳統(tǒng)硬開關技術變頻器中的三相逆變橋電路中的開關功率器件S1—S6 相對于傳統(tǒng)的硬開關技術逆變器來說，零電壓過渡軟開關技術變頻器中主功率開關器件工作過程中的最大改變就是在零電壓條件下開通，由于硬開關技術變頻器中也有吸收電路的存在，所以，主功率開關器件的關斷過程兩者是一樣的。另外，主功率開關器件的穩(wěn)態(tài)損耗兩者也是一樣的。所以，在本項目的研究中，對主功率開關器件的選擇參考了硬開關技術變頻器的選擇原則。根據日本三菱公司的使用手冊（見表1），50kV•A（37kW）變頻器的電流有效值為75A，峰值電流為106A。考慮到1.4倍的降額因數，留夠2倍的工作裕量，故選定主功率開關器件S1—S6的額定參數為1200V，300A。 2）輔助諧振回路中的輔助功率開關器件Sr1—Sr6 輔助開關的工作時間可以控制得很短，所以，對其功率要求比較小，但通過其中的峰值電流并不小，還要高于主開 |
|
|
| 免費注冊為維庫電子開發(fā)網會員，參與電子工程師社區(qū)討論，點此進入 |
Copyright © 1998-2006 m.58mhw.cn 浙ICP證030469號 |