IGBT大功率E类逆变器

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。

关键词:绝缘栅门极晶体管;逆变器/软开关

中图分类号:T M464 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2003)06-0071-03

IGBT High power C lass E Inverter

LI Qing,LIU Ping

(Southwester n I nstitute of Physics,Chengdu610041,China)

Abstract:In t he ar ticle,the Class E I nverter wit h IG BT hase been studied.O n the basis of the soft switch o f the Class E Inverter,t he IGBT can work stably at higher frequence.U tilizing the high voltage and high current of IG BT,the Class E Inverter has got the sinusoidal output with high power.Its principle and char acteristics ar e analyzed.T he ex peri ment r esults are giv en.

Key words:IGBT;Inverter/soft switch

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。

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,L1的阻抗足够大,因而使流过的电流为一个恒定值。L2,C2为谐振元件,在R上产生高频的正弦波输出。C1为外加电容,目的是使开关管VQ1工作在理想状态。下面分析该电路工作原理。

当VQ1导通时,L1中的电流全部流过VQ1,由于L2,C2在开通之前已经储存了能量,这时L2,

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VQ1的电流则为L1中的电流与L2,C2,R谐振回路中的电流之和。

当VQ1关断时,因VQ1的两端并联着一个较大的电容C1,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,L2,C2,R和C1形成了一个闭合的谐振回路继续谐振,L1对谐振回路充电,补充谐振能量。当C1上的电压又谐振到零时,VQ1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

。

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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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d v /d t =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

(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C 1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C 3,C 3在此起到一个阻抗匹配作用,C 3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。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C s 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。

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=37.5nF,C 2=55nF,C 3=90nF,L 2=125 H,L 1=0.7mH 。电路采用型号为SKM150GB2400D 的IGBT 作为开关器件,驱动信号频率为80kHz,占空比D =0.5,输入直流电压为400V 。实验结果较为满意。实验中获得8kW,80kH z 的正弦波输出,电路达到了设计要求。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。

对阻值从1~10k 变化范围内的负载做了电

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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。

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,负载变化的范围也不能太大,否则,开关管有可能进入失谐状态而损坏。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

电路。

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。

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。参考文献:

[1]

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