（电力电子与电力传动专业论文）双零电流转移中功率igbt整流器研究.pdf

北方交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o nt h eb a s i so f d e e pu n d e r s t a n d i n gt h ei m p r o v e m e n to fs o f t s w i t c h i n g a n dv a r i o u s t o p o l o g i e s o fz c tc o n v e r t e r s t h e o p e r a t i n gp r o c e s s a n d p r i n c i p l eo f t h ed u a l z c tc o n v e r t e r a r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y a n dt h eb a s i cc o n t r 0 1r u l ea n dm e t h o do f t h r e e p h a s e d u a l z c tp w m c o n v e r t e ra r eg a i n e d m e a n w h i l e t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l ti sw e l l a g r e e dw i t h t h e t o p o l o g ya n a l y s i so f t h e c i r c u i t d e e pd i s c u s so n t h em a i nc i r c u i td e s i g no ft h ed u a l z c ti g b tr e c t i f i e r i sd e p l o y e d i n c l u d i n gs e l e c t i o no ft h e p a r a m e t e r sa n dt h ec o p p e rb u sd e s i g n t or e d u c et h es t r a yi n d u c t a n c eo ft h em a i nc i r c u i t a tt h es a m et i m e s o m e a s p e c t so nd r i v ea n dc o n t r o lo fi g b ta n ds o m ep r o t e c tc i r c u i t sw h i c h a r e n e c e s s a r yo n t h ec o n d i t i o no f h a r d s w i t c h i n ga r ea l s od i s c u s s e d t h ed e s i g no fa u x i l i a r yp o w e ri sg i v e no u t t h a ti st os a yat w o c a s c a d e b u c kc o n v e r t e ri sa d o p t e dt oc o n v e r tt h e7 5 0 vd cv o l t a g et ot h r e eo u t p u t s w h i c hp r o v i d ep o w e rf o rt h ef a n sa n dc o n t r o lc i r c u i t s o m et e s tr e s u l t sa r e a l s og i v e no u t a tl a s t t h et e s tw a v e f o i t t l so ft h ed u a l z c ti g b tr e c t i f i e rw o r k i n go n h a r d s w i t c h i n g c o n d i t i o na n dt h es i m u l a t i o nw a v e f o r m so ns o f t s w i t c h i n g c o n d i t i o na r el i s t e d k e yw o r d s s o f t s w i t c h i n g h a r d s w i t c h i n gz c t z e r o c u r r e n tt r a n s i t i o n s t r a yi n d u c t a n c et o p o l o g y s i m u l a t i o n 叔零电流转移中功率i g b t 整流器研究 互至望盔堂堡主堂生垒苎 笙二童塑垄 1 1 背景介绍 第一章概述 随着电力电子器件水平的发展 i g b t 的容量已经达到 6 5 0 0 v 2 4 0 0 a 在大容量i g b t 器件出现后 各国竞相研制i g b t 牵 引变流器 与g t o 可控硅相比 i g b t 具有开关频率高 驱动简单 过流 或短路 保护方便易行以及矩形安全工作区等特点 这就使 得i g b t 器件取代g t o 器件 用于交流传动高速列车和轻轨交通列 车动车组的牵引变流器成为可能 而国外已成功地将3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 的i g b t 器件用于轻轨交通车辆动车组中 e 1 9 9 6 年 欧洲和日本相继研制成功了1 0 0 0 k v a 等级的i g b t 逆 变器 现在 他们的i g b t 逆变器容量等级已达到2 5 0 0 k v a 而我 国的交流传动技术比较落后 天津电气传动设计研究所已研制成功 3 0 0 k v a 的i g b t 逆变器样机 而目前列车中运行的i g b t 逆变器容 量为5 0 k v a 我国无论铁路干线上还是城市轨道交通上的列车 都 还没有国产的交流传动机车投入运营 而北京地铁复八线和广州地 铁一号线上所采用的交流传动用的牵引逆变器都是从国外进口的 并且这些变流器机组中的器件采用的都是g t o 电力电子器件水平的发展 同时也带动着变流器向高频化发 展 这也是开关变换技术的重要发展方向之一 其原因是高频化可 以使变换器装置的体积 重量大为减小 从而提高变换器的功率密 度 单位体积的输出功率 但功率器件的开关损耗随着开关频率 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 北方交通人学硕士学位论文 第一章概述 的提高而增加 提高了对散热的要求 为了使开关变换器能够在高 频下高效率地运行 高频软开关技术自7 0 年代以来得到不断的发 展 软开关技术的应用 极大降低了器件的歼关损耗和开关应力 使开关器件的开关频率和容量利用率得到进一步提高 并提高了系 统的功率因数和效率 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 是部级项目 p e b b 技术在交流传动牵引变流器中应用的探索研究 的一部分 该项目 结合我们正在进行的 2 l l 建设项目 交流传动牵引电机温升试 验台 对于发展我国高速铁路列车和城市轨道交通电动车组的交 流传动技术 研制适用于机车车辆的大功率i g b t 牵引变流器及其 控制技术都有重要的现实意义 我们计划采甩大容量的i g b t 器件 作为变流器的开关器件 并在整流器部分应用软开关技术 和功率 因数为1 的四象限变流器控制技术 既改善了电网的功率因数 减 小了电磁干扰 又提高了变流器的工作效率 该项目的研究 将为我国研制高速列车交流传动牵引系统解决 技术难题提供思路 比如电磁兼容问题 散热问题等 并为铁路交 通交流传动牵引系统国产化积累经验 1 2 系统构成 如图卜1 所示 交流传动牵引电机温升试验台系统包括 二重 零电流开关的i g b t 整流器 i g b t 牵引逆变器 交流异步牵引电机 的矢量控制系统 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 2 蔓垄翌生茎兰 堂垡迨塞 茎二童塑堕 1 3 设计要求 图1 一i 系统框图 系统的整流器部分要求实现功率因数为l 的四象限变流器的结 构 和双零电流转移的软开关技术 从而改善电网的功率因数 减 小电磁干扰 并提高变流器的工作效率 下 根据温升试验台的实际工作情况 单个整流器部分参数要求如 电网电压 输出电压 容量 功率因数 3 3 8 0 1 0 5 0 h z 7 5 0 v 5 0 k v a 0 9 5 从下一章开始 本论文将详细阐述软开关原理 主电路 控制 电路 驱动电路以及辅助供电电源电路的设计 最后给出各部分的 实验波形以供参考 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 蔓 塑盔堂堡主堂垡鲨奎 笙三童鏊茎苤壁查笪垄星 第二章软开关技术的发展 2 1 软开关与硬开关 电力电子技术是功率半导体器件 又称电力电子器件 及其应 用技术 电力电子技术应用有两大特点 第一 应用的电压和电流 的变化较大 即功率范围极宽 电流小可到几十毫安 大可到几十 万安培 电压低可到几伏 高可到几十万伏 第二 主回路采用功 率半导体器件 并对其进行控制 也就是说电力电子技术是电力 电子和控制三者密切结合的技术 随着电力电子技术的发展 高压大电流的开关器件不断涌现 变流器的功率等级不断提高 但随之而来的是散热问题和刚i 问题 的亟待解决 电力电子技术的基础是开关技术 然而 在常规的开 关电路中 电力电子器件处于 硬开关 状态 所谓 硬歼关 技 术是指功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零 的状态下进行的 即强迫器件在其电压不为零时开通 或电流不为 零时关断 由于功率器件在开通或关断期间电压与电流的交叠 硬 开关电路中存在开通损耗和关断损耗 并且随着开关频率的提高 开关损耗也就越大 因而 应用硬开关技术的p w m 功率变换器 其 开关频率不宜太高 否则开关损耗太大 变换器效率将大为降低 提高开关频率是开关变换技术的重要发展方向之一 其原因是 高频化可以使开关变换器 特别是变压器 电感等磁性元件以及电 容 的体积 重量大为减小 从而提高变换器的功率密度 单位体 舣零电流转移中功率i g b t 整流器研究 4 兰 互銮里莶兰堡主堂堡堡壅 笙三至鏊墅茎堡查塑叁壁 积的输出功率 并且 提高开关频率对于降低开关电源的音频噪 声和改善动态响应也大有好处 硬开关电路在高频开关频率下运行受到如下 系列的限制 l 热学限制 在感性负载关断 容性负载开通时 电力电 子开关器件将承受很大的瞬时功耗 一个周期内器件的开关损坏 般可占总平均损耗的3 0 4 0 随着开关频率的增加 这种损 耗成正比例的增加 由于过大的开关损耗使结温上升 因此 尽管 它们本身开通 关断时间很短 但由于结温的限制 不仅工作频率 不能再提高 而且器件的电流 电压容量也不能在额定条件下进行 2 安全工作区限制功率晶体管的开关轨迹如图2 1 所 示 由图知 无缓冲电路时 功率晶体管承受的电流 电压会出现 同时为最大值的情况 这时的电流 电压已远远超出f b s o a r b s o a 所容许范围 在这一状态 停留时间稍长即会产生二ic 次击穿便功率晶体管烧 毁 而无二次击穿现象的 m o s 和g t 0 等器件在硬开 关条件下 在感性负载关 o 断时出现的尖峰电压 在 容性负载开通时出现的尖 图2 l 功率晶体管安全工作区限制 峰电流 也可能超过其安 全工作区 从而极大地危害了器件的安全运行 3 电磁干扰限制在高频状态运行时 开关器件本身的电 容成为及重要的参数 这种极间电容在开关过程中会产生两种不利 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 5 北方交通大学硕士学位论文 第二章软开关技术的发展 因素 其一 在高电压下开通时 2 2 的电容储能被器件本身 吸收和耗散 势必增加温升 频率越高越严重 其二 极间电容电 压转换时的d d t 会耦合到输入端 产生电磁干扰 使系统不稳定 此外极问电容与电路中的杂散电感及器件内部引线的杂散电感会形 成振荡 也会干扰正常工作 4 缓冲电路的利弊在p w m 硬开关电路中 常常加入串联 或并联缓冲电路 它可限制开通时的a i d t 关断时的d a t 使动态 开关轨迹缩小到直流安全区内 保证器件的安全运行 但必需注意 的是 缓冲电路是通过把器件本身的开关损耗转移到缓冲电路而使 器件得到保护的 这部分能量最终还是被消耗掉 因此系统总的功 耗不会减小 随着工作频率的提高 丌关器件仍会出现很可观的功 率损耗 使系统的效率大大降低 另外 缓冲电路也增加了变流器 系统的复杂性和造价 为了使开关电源能够在高频下高效率的运行 国内外电力电子 界和电源技术界自7 0 年代以来 不断研究开发高频软开关技术 所谓 软开关 是指零电压开关或零电流丁f 关 与硬开关电路相反 在软开关电路中 开关器件在零电压或零电流条件下开关 理论上 开关损耗为零 软开关包括软开通和软关断 软开通有零电流开通 和零电压开通两种 软关断有零电流关断和零电压关断两种 它是 应用谐振原理 使开关变换器的开关器件中的电流 或电压 按正 弦或准诈弦规律变换 当电流自然过零点时 使器件开通或关断 或电压过零点时 使器件开通或关断 实现开关损耗为零 从而极 大的提高了开关频率 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 6 互堕塑堑塑主兰垡笙塞 兰三兰墼茎茎垫查塑茎壁 2 2 软开关技术的发展概况 近年来 在电力电子技术领域软开关技术被引入各类电力电子 变换器中 并已逐渐推向实用 软开关技术可以大大减小甚至完全 消除 理论上 变换器中开关元件在开关过程的损耗 提高了变换 器的工作频率 减小了元器件的散热器体积 另外 软开关技术也 大大降低了叫西和驯衍 使缓冲吸收电路成为多余 软开关技术 的应用大大减小了装置的尺寸和重量 同时也提高了变换器工作的 可靠性和效率 软开关技术目前已成功地运用于d c d c 变换器巾 几十年来 国内外已研究开发井得到应用的各种高频软开关变 换技术类型如表2 1 序号时间名称 应刚 l 7 0 年代串联或并联谐振技术 半桥或全桥变换器 2 8 0 年代中 准谐振或多谐振技术单端或桥式变换器 3 8 0 年代末z c s p w m 或z v s p w m 技术单端或桥式变换器 4 8 0 年代末移相全桥z v s p w m 技术全桥变换器2 5 0 w 以上 59 0 年代初z c t p w m 或z v t p w m 技术 单端或桥式变换器 表2 1高频软开关变换技术的发展过程 由表2 一l 知 近几年来 软开关技术已取得长足进步 其大 体上可分为两类 零电压丌关 z v s 和零电流开关 z c s 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 7 2 l 互茎望盔兰堡主堂垡笙苎 笙三兰竺堑茎壁查塑垄垦 零电压开关技术包括 零电压开关谐振技术 z v s r c 零电 压开关准谐振技术 z v s q r c 零电压开关多谐振技术 z v s m r c 和零电压转移技术 z v t 零电流开关技术包括 零电流开关谐振技术 z c s r c 零电 流开关准谐振技术 z c s q r c 零电流开关多谐振技术 z c s m r c 和零电流转移技术 z c t z v s 通过器件开通前将其电压降到零 减小甚至消除了器件的 开通损耗 而z c s 通过器件关断前将其电流降到零 减小甚至消除 了器件的关断损耗 谐振 准谐振及多谐振电路利用无功元件 包 括实际电路中的寄生元件 以谐振的方式实现零开关的功能 不需 要额外的开关 而z c t 和z v t 通过额外的辅助开关控制无功元件之 间的谐振 并且只在器件导通或关断的瞬间影响变换器的运行 尽 管谐振变换器拓扑结构简单一些 但与变换器在p w m 运行时相比 其电压 电流应力及环流增大 因而这些变换器主要应用于低功率 场合 在中到大功率变换器中 z v t 和z c t 优于其它的零丌关方案 这是因为它们以最小的电压 电流应力及环流获得了零开关的功 能 并且能很好地应用于p w m 技术中 由于应用于高功率的器件主 要为少子器件 如i g b t m c t g t o 等 开关器件的损耗主要为关 断损耗 零电流关断可以减小这一损耗 而开通损耗 包括二极管 的反向恢复损耗也很重要 尤其对高压器件而言 所以 只有开关 器件选定以后 才能决定出最优的软开关方案 总的来说 对高功 率应用而言 一个成功的软开关方案应综合考虑丌关损耗 工作频 率 电压应力等各方面因素 并达到折衷 舣零电流转移中功率i g b t 接流器研究 8 北方交通大学硕十学位论文 第二章软开关技术的发展 2 3 零电流转移技术的发展 前面所讨论的各种软开关变换电路 包括准谐振变换电路 q r c 多谐振变换电路 m r c 零电压开关 z v 5 p w m 变换电路 零电流开关 z c s p w m 变换电路等 通过在常规的p w m 硬开关变 换电路的基础上加上辅助谐振回路 利用电路中的谐振 使通过开 关器件的电压或电流呈准正弦波形 从而为丌关器件的导通或关断 创造了零电压或零电流开关条件 实现了软开关 有效地减小了开 关器件的损耗 然而它们共同的问题是在实现电路软开关的同时又 带来了很多新的不足 首先 与常规的硬开关变换电路相比 它们 毫无例外地极大增加了电路中开关管的电压或电流应力 使电路中 的导通损耗明显增加 从而部分地抵消了开关损耗降低的特点 同 时 辅助谐振电路中的电感和电容由于电应力造成的体积增大 也 部分抵消了功率变压器和滤波元件体积重量减小的优点 另外 就 一般谐振电路拓扑来说 前述各种软开关电路基本上都是把谐振元 件放在电路的主功率通路上 这不可避免的会产生如下的问题 首 先 由于谐振电感要承受两个方向的电压 因而给电路中的开关器 件增加了额外的电压应力 其次 由于全部能量都要通过谐振电感 这使电路中存在很大的环流能量 而这样大的环流能量必然会增大 电路整体的导通损耗 谐振电感位于主功率通路上还使电感储能极 大的依赖输入电压和输出负载 电路很难在一个很宽的输入电压和 输出负载变换范围内实现软开关动作 本节所要讨论的零转换变换电路试图解决上述软开关变换电路 北方交通大学硕士学位论文 第二章软开关技术的发展 中的诸多问题 它的主要特点是把辅助谐振网络从主功率通路中移 开 变为与主功率开关器件并联 在主功率开关器件变换的很短的 一段时i 剐间隔内 导通辅助开关管使辅助谐振网络起作用 为主功 率开关器件创造零电压或零电流的开关条件 转换过程结束后 电 路返回常规的p w m 工作方式 由于辅助谐振网络与主功率开关器件 并联 因而在使主开关器件软开关工作的同时 并没有增加过高的 电压或电流应力 同时 辅助谐振网络并不需要处理很大的环流能 量 因而减小了电路的导通损耗 另外 谐振网络所处的位置使其 不受输入电压或输出负载的影响 电路可以在很宽的输入电压和输 出负载变化范围内在软开关条件下工作 所有这些特点使得零转换 电路成为目前在工程实际应用中最有发展前途的功率变换电路拓扑 之一 本节主要讨论零电流转换电路的发展与特点 2 3 1 基本的零电流转换变换器 图2 2 所示为零电流转换开关 其中辅助谐振网络由辅助开关管q 谐振电感l 谐振电容c 及辅助整流二极管d 构成 在 每一次主功率管q 需要进行状 态转换之前 先导通辅助开关 管q 使辅助电路谐振 为主 开关管创造零电流关断或零电 流导通条件 主功率开关管q 完成状态转换以后 尽快关断 l d o j 工 t i j 圈2 2零电流转换开关 双零电流转移中功率1 g b t 整流器研究 1 0 北方交通大学硕士学位论文第二章软开关技术的发展 辅助开关管q 使辅助电路停止工作 电路重新回到p w m 方式下运 行 在后面的讨论中可以看到 当以一种合适的方式控制辅助肝关 管q 时 q 也可以在零电流下完成导通与关断的过程 零电流转换电路主要考虑在变换电路中使用的主功率开关器件 为少数载流子半导体开关器件 如i g b t b j t m c t 等 这种类型 的开关器件 特别是目前广泛使用的i g b t 关断时会有一个较长 的电流拖尾 从而造成较大的关断损耗 降低这个损耗显然零电流 关断比零电压关断更有效 图2 3 表示i g b t 在硬开关条件下 图 a 及零电流下关断 图b 和零电压下关断 图c 时的电流 电 压曲线 显然图b 具有最小的开关损耗 a 硬关断 b 零电流关断 c 零电压关断 图2 3i g b t 关断时的电流 电压变化曲线 下面以b o o s tz c t p w m 电路为例说明z c t p w m 电路工作原 理 图2 4 为b o o s tz c t p w m 电路的原理图及在一个开关周期中 的主要电量波形 北方交通大学硕七学位论文第二章软开关技术的发展 在对b o o s tz c t p w m 变化电路运行讨论之 前 需作如下几点说明 1 电路中所有元器件都 是理想的 2 电路中输入滤波电感 足够大 故在一个开关 周期内 输入电压源v 及输入滤波电感l 可用 一个恒流源i 代替 3 输出滤波电容c 足够 大 故在一个开关周期 中 c 和r 可用一个恒 压源代替 与前述多种软开关 功率变换器电路相比 z c t p w m 电路具有明显 的优点 首先 它可以 使主功率开关管在零电 蹴 士 卜 i i 八 7l j n 氏 f 4 v y l f b ih h b 主要电量渡彤 l i 臼2 4b o o s t z c t p w m 流条件下关断 从而极大的降低了类似i g b t 这种具有很大电流拖 尾的大功率半导体器件的关断损耗 与此同时 几乎没有明显增加 主功率开关管q 及整流二极管的电压 电流应力 虽然在q 的导通 电流波形上叠加有一个明显的呈正弦型脉冲 但由于谐振周期远小 于开关周期 因此通过q 的电流平均值与常规p w m 电路基本上是相 口 靠 啊 宝 廿 时 协 北方交通大学硕士学位论文第二章软开关技术的发展 同的 对主功率开关管的通态损耗影响微乎其微 其次 谐振网络 可以自适应的根据输入电压和输出负载调整自己的环流能量 再 次 它的软开关条件与输入和输出无关 这使它可以在一个很宽的 输入电压和输出负载变化范围内实现软开关操作 另外 z c t p w 1 电路可以像常规p 州硬开关电路一样以恒频方式工作 虽然z c t p w m 电路具有上述一系列明显的优点 但它远不是 完美的 虽然主功率开关管是在零电流条件下关断的 但它的开通 确是典型的硬开关过程 在其开通瞬间 由于整流二极管的反向恢 复特性 在主功率开关管中产生一个很大的电流尖峰 这一尖峰既 危及了主功率开关管和整流二极管的安全运行 又增加了开关损 耗 另外 z c t p w m 电路的辅助开关管在零电流条件下导通 但 其关断却是硬开关过程 下面 我们着重讨论如何解决z c t p w m 电路的不足 2 3 2 基本的零电流转抉电路控制方式的改进 由于基本的b o o s tz c t p w m 变换电路中存在明显的不足 研 究人员通过改进辅助谐振网络的控制方式 解决了这些问题 基本的电路拓扑仍如图2 4 a 所示 为了使主开关管q 的开 通和关断都在软开关条件下完成 在一个完整的开关周期中辅助丌 关管需开关两次 在改进的控制方式下 在一个完整的开关周期内 各电量变化可分为十个时间段来描述 对应的主要电量波形如图2 5 所示 从图2 5 波形图中可以看到 基本的b o o s tz c t p w m 变换电 路在新型的控制方式下 主功率开关管和辅助开关管的开通和关断 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 北方交通大学硕士学位论文 第二章软开关技术的发展 过程都可以在零电流 条件下完成 这种新 型的控制方式为电路 中的开关管 二极管 创造了良好的状态转 换条件 与此同时 保持了基本的z c t p w m 电路的大部分优 点 但同时 谐振电 口 以 k o b hhl t l r o v 厂 v 友 奠 t o t t f 21 3 4如r t 7 龟f 9 t o 图2 5改进控制方 的i 匕置波形 路在创造软开关条件 时需处理的环流能量明显增大了 从而导致电路中各部分的导通损 耗增加 阻碍了整个电路效率的进一步提高 下一小节中 我们将 讨论对基本的z c t p w m 电路稍加改进来解决这一问题 2 3 3 基本的零电流转移 z c t p w m 变换电路拓扑结构的改进 通过对基本的z c t p w m 电路拓扑稍加改动 并给辅助谐振电 路以适当的控制 就可在较小的环流能量下同样实现主 辅开关的 零电流导通和关断 改进的b o o s tz c t p w m 变换电路拓扑如 图2 6 所示 与基本的b o o s t z c t p w m 电路相比 只是把辅助续流二极 图2 6改进型的b o o s tz c t p w m 电路 坐堕 垩点堂堡主兰垡笙奎 茎三童鏊墅羞垫查塑垄壁 管与辅助开关管的位置进行了互换 下面对其在稳态条件下 一个 完整开关周期中的动态过程进行分忻 图2 7 为其对应的八种电 路拓扑模式 初始状杏 留匕t 踞 图2 7备时间段对应电路拓扑模式 设电路的初始状态为 主功率开关管q 截止 电感通过整流二 极管向输出放电 电路以常规的p w m 模式工作 图2 8 给出了在 一个完整开关周期中主要电量波形 烈零电流转移中功率i g b t 整流器研究 些堡 燮堂堡主堂笪堡奎 蔓三兰鏊茎差鏊查堕垄垦 1 t t 时间段 在t 时刻 导通辅 助开关管q 谐振电路 通过d q 构成回路谐 振 对应的电路拓扑如 图b 所示 这个时间段有 上 d i i t 一v c c d v c id l i h 2 1 初始条件 f n o 0 v c o o z 1 ji l hm t u v 荔 l 勺 沁 i 一 u 刊 r l h v l 川 v b寝 t o t 2 t 3t 4 f f 6 t 7ht 9 1 1 0 图2 8土要电量波形 解方程 2 一i 并代入初始条件可得 f koc o s d f l f 一s i n c o t v o z 2 2 式中 0 3 1 上 c 为谐振角频率 z 为谐振电路特性阻抗 当电感电流i 谐振到零 电容电压v 谐振到其负峰值时 这 个时间段结束 由 2 2 知 五 l t o 叫缈 c 2 2 3 式中 t 为谐振周期 2 t t 2 时间段 在t 时刻 i 谐振到零 之后 i 继续向反方向谐振 该时 段对应的电路拓扑仍为b 电路的动态过程描述仍由式 2 一1 确 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 1 6 n x 级b b 咖 砸 协 北方交通大学硕士学位论文第二章软开关技术的发展 定 初始条件为 l l r o 0 v c r o 一 解方程 1 并代入初始条件可得 v 一 oc o s r 1 l r s i n k o z 2 4 当i 上升到等于输入电流i 时 二极管d 截止 这个时间段结束 由式 2 4 得 疋 t 2 一t l s i n o z o 吐 丌 2 缈 l 4 2 5 且 k 2 一r 刀 0 3 t 2 t 时间段 在t 时刻 i 等于i d r 截止 此时可以导通主功率开关管 q 并关断辅助开关管q 这个导通和关断过程都是在零电流条件 下完成的 之后谐振电路继续谐振 此时间段电路拓扑模式如图c 在这一时间段有 l d i h d f 一v c r y q c d v c r d l i l 2 8 初始条件 i 0 v c r 0 0 解方程 2 6 并代入初始条件得 v c r s i n f 届 一 f c o s f i 2 7 式中 厩巧可 届可厕f 届 t a n 一1 眠 z 当i 下降到零时 这个时间段结束 将f f 0 代入式 2 7 中 可得这个时间段长度 l t 3 一t 2 牙 2 声1 2 8 且 v c r 3 k 一 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 1 7 北方交通大学硕士学位论文第二章软开关技术的发展 4 t t 时间段 注 t t 时间很短 为便于观察将图示放大 在t 时刻 i 谐振到零 之后 谐振电路通过q 及辅助二极 管d 构成通路继续谐振 i l r 反方向流动 对应的电路拓扑如图d 示 在这个时间段有 l d i h d f v c c d v d t i f r t2 9 初始条件 f o 0 v c 0 吃 一 解方程 2 9 并代入初始条件得 v o f v c m 一 c o s o f f 一 2 一v o s i n o t z 2 1 0 当i 再次谐振到零时 这个时i b j 段结束 将f f 0 代入式 2 一i o 中 可得 l 4 一屯 石细 t 2 2 1 1 且有 v c r r 一 一 5 t 4 t 5 时间段 在t 时刻 i 从反方向谐振到零 之后 谐振电路停止工作 电感电流i 保持为零 电容电压v 保持为一 v o 主功率开 关管q 保持导通 电感l 处于充电状态 此时 整个电流以常规的 p w m 方式运行 对应的电路拓扑模式如图e 示 6 t j t 时间段 在t 时刻 辅助开关管q 在零电流条件下再次导通 为主功 率开关管q 的关断作准备 之后 在输出电压v 的作用下 谐振电 路通过主开关管q 所在支路再次开始谐振 其拓扑模式如图f 示 型篓 鬯盔堂堡圭堂垡笙奎 茎三童鏊茎羞垫查塑垄垦 有 l r d l r d t 一v c r y o l c rc b c r d l i 初始条件为 i l r 0 0 o 一 一 解方程 2 1 2 得 v c f 一v o 一 矿山一2 v o c o s c o f f 2 7 0 一v c m s i n c o t z 当i 从反方向谐振到零时 这个时间段结束 将l l r 0 代入式 2 1 3 中 可得 t 6 t 6 一f s 霄 t 2 且 g c r t o v o 2 一1 2 2 1 3 2 1 4 7 t 6 t7 时间段 在t 时刻 i 谐振到零 之后 继续向反方向谐振 如图f 所示 电路的动态过程描述仍由方程组 2 1 3 确定 初始条件 为 f o o v c r o 一0 一 解方程组 2 1 3 并代入初 始条件得 v c r f 一 2 v o c o s c o f f f 2 v o 一 s i n w t z 2 1 5 当i 上升到等于i 时 i 下降到零 这个时间段结束 将 f n i 代入式 2 1 5 中 可得 t 1 t 1 t 6 s i n j z t 2 i o y c m 渤 r p l r 2 1 6 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 1 9 北方交通大学硕十学位论文第一二章软开关技术的发展 8 t 7 t 8 时间段 在此时间段 电路继续工作于拓扑模式f 主功率开关管q 所 在支路电流向反方向谐振 当il 再次谐振到i 时 i 谐振到零 整个时间段结束 在此时间段 q 和q 可在零l 巳流条件下关断 将 工 r 0 代入式 2 1 5 中 可得 t t 石一 2 则有 瓦 防一2 p 2 2 1 7 且有 v t 8 f i 万i 万 了甭 圪 9 t 8 t 时州段 在此时1 日j 段 谐振电流停止谐振 电容c 由恒定的输入电流i 充电 电容电压v 线性上升 对应的电路拓扑模式如图g 示 在 这个时间段有 t q i c rd v c r d f j 2 1 8 初始条件为v o 解方程组 2 1 8 并代入初始条件 可 得 v c j f c v c g 2 1 9 当v 从负值上升到零时 这一时间段结束 由式 2 1 9 可得这 一时间段的宽度 b f 9 圾矗 仁c v o 厄河丽 夕 2 0 1 0 1 2 9 t 时f 口 段 在t 时刻 v c r 上升到零 之后 整流二极管d n 由于正偏而导 通 谐振电路重新开始谐振 如图h 所示 在这一时问段有 些互至些奎兰堡主兰垡笙茎 笙三兰鏊堑羞垫查箜叁星 l d j h d l v c r c 幽c f d f i l r 2 2 1 初始条件 i l o 1 v c r o 0 解方程 2 2 1 并代入初始条件得 v c r j z s i n c o f l l r f c o s o t 2 2 2 当i 谐振到零 v 谐振到其正峰值时这一时间段结束 由式 2 2 1 知这一时间段的持续长度 正o l o f 9 州2 c o t 4 2 2 3 且此时有 k f l o z s i n 州2 z o 到t 时刻 整个开关过程结束 电路又重新回到初始状态 以常规的p w m 模式运行 其状态平面图如图2 9 所示 从上述的分析中可知 改进型的z c t p w m 变换电路在保留了 基本的z c t p w m 电路的全部优点的同时 减小了整个开关过程中 要处理的环流能量 减 小了电路的导通损耗 使得z c7 卜一p w m 电路在工 程实用中具有了更强的 吸引力 h h i l k f 缀夕 义 j 图2 9 状态平面图 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 2 1 北方交通大学硕士学位论文 第三章主电路设计 第三章主电路设计 3 1 系统结构框图 我们设计的z c t 中功率i g b t 整流器系统结构框图如图3 一l 所 示 3 8 0 v 三相交流电输入到z c t 整流器主电路 输出7 5 0 v 直流电 压 8 0 c 1 9 6 m c 单片机控制系统除了响应键盘和控制显示外 主要 任务是输出以s p w m 为控制策略的控制脉冲 并监测d s p 的状态 d s p 除了根据8 0 c 1 9 6 m c 输入的主管脉冲产生相应的辅管脉冲外 还根 据检测到的电压 电流信号进行故障保护 d s p 输出主 辅管脉冲 信号 送给主 辅管驱动电路来控制主电路的开关管动作 兰 3 1主 b 路系统框i 璺 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 坐堕望塑塑塑主鲎笪迨塞 楚三童圭蜜照堡盐 3 2 主电路拓扑及工作原理 本方案的整流器主电路采用前述的改进型z c t p w m 变换电 路 其电路如图3 2 所示 盟3 2 三相z c t p 删整流器 三耩z c t p w 麓整流器餐耩六个生开关秘六个辖勘开关 每一 嘏上下揆甓的龋个蔓开关共用 组谐振支路 三楣的z c t 整流器可 以着作e i l 前面讲到的三个b o o s tz c t 开关和三个b u c kz c t 开关缀 合而成 如图3 2 中粗线部分所示 为主开关篱s 6 酌零电流开关 路径 仔细霹毙霉戳发瑷 这一路经与第二章第三节书讲述的改避 型z c t p w m 变换电路完全一致 由于这 电路的工作原理已经介 绍过 这里就不再赘述了 现在 仪以一稽为俪 说臻z c 薯一p 蹶整滚器抟互 乍器淫 翔 熨3 3 瑟示 双零电流转移中功率 g b t 整流器研巍 2 3 一 堡堕塑 堑堡主兰垡笙壅 笙三童圭皇堕堡生 参照电路图中所设 正方向 设初始条件 为 电流i 0 q 2 处于 导通状态 当要关断 q 2 开通q l 时 瞬态 过程如下 1 首先 触发 q x 2 则谐振电路开始 僻 尹 图3 3 单相z c t 工作原理图 谐振 电感电流i 电容电压v 谐振上升 q 2 中电流等于 f 当v 达到最大值时 i 谐振下降 如图2 1 0 中的主开关管的关 断过程 q 2 中电流也下降 当q 2 中电流小于零 即q 2 的反并联 二极管导通时 关断q 2 则q 2 在零电流条件下关断 2 此时 由于i 0 则电流i 流经q l 的反并联二极管 q l 中 实际没有电流流过 所以当i o 时 q l 的零电流通断要由触发q x l 来完成 而q x 2 的触发脉冲被切断即可 由前述分析知 辅助开关也是在零电流条件下开通和关断的 当电流i 很小时 辅助电路可能不能正常工作 此时由于软开 关引起的附加导通损耗与电流值最大时引起的附加损耗没有多大的 差别 所以 我们在这种情况下 可以使主电路工作在硬开关状态 而不必触发辅助开关 双零电流转移中功率i g b t 整流器研究 2 4 i 銮窒堕奎兰堡主堂垡笙塞 苎三至圭皇堕堡生 3 3 主电路参数选择 3 3 1 半导体开关器件的选择 半导体器件的选择应考虑如下四个方面 1 耐压要求 主要考虑i g b t 上的浪涌电压不应超过i g b t 集电极 与发射极的额定电压v c 2 电流要求 集电极峰值电流必须处在i g b t 开关安全工作区以内 即小于两倍的额定电流i 3 散热条件 在良好的冷却条件下 可选用额定值较小的i g b t 模 块 4 实际条件 根据生产厂家的产品样本规格 选择合适的器件 根据第一章给出的系统设计参数 取一定的裕量 并考虑实验 过程中的不确定因素 决定选用e u p e c 公司的i g b t 模块 主管 b s m2 0 0g b1 7 0d l 最高耐压1 7 0 0 v 额定电流2 0 0 a 辅管 b s m1 0 0g b1 7 0d l 最高耐压1 7 0 0 v 额定电流1 0 0 a 主管与辅管耐压相同 因为在z c t 整流器电路中都要承受v 的电压 流经主管的电流最大值为输入交流电流的峰值 而流经辅 管的电流最大值要视设计而定 但不会超过i o o a 并且辅管只是 在主管开通 关断的瞬间动作 且为零电流开通和关断 所以辅管 双零电流转移中功率i g b t 箍流器研究 坐立窒望盔兰銎堂鱼笙苎 茎三童圭皇堕堡盐 的电流定额可小一些 3 3 2 交流侧储能电感及直流侧支撑电容的选择 由于三相p w m 变流器均采用双极性调整 所以由参考文献 l o 日 可知 交流侧储能电感符合公式 锗铒 瓦fd 3 1 2ai u s md s i3 m 式中 u 为线电压峰值 ai 为相电流变化最大值 i 为相电流 峰值 l 为l 和l 之和 即为2 l 而直流侧支撑电容满足公式 c 兰攀 3 2 o 明 式中 r 为电源电流纹波系数 r 为直流电压纹波系数 设r 1 0 r v o 5 f s 1 0 k h z 则由式3 一l 和3 2 得 2 4 m h 2 ls2 2 m h 所以 取l 1 3 m i 贝 c 1 6 m f 取6 8 0 0 u 4 0 0 v 的电 解电 容三个串联构成c 3 3 3 辅助回路参数选择 变流器的z c t 运行能极大的减小了其开关应力 为器件创造良 好的开关条件 优于硬开关变流器 提高可靠性并减小噪声辐射 另一方面 软开关对变流器功耗的影响基本上是在由软换流引起的 主电路和辅助电路间的开关损耗和附加导通损耗的折衷 为达到设 定的效率改善目标 应设计辅助电路在主电路电流最大的情况下 仍能实现零电流开关 并保持辅助电路中的功耗最低 我们将以图 舣零电流转移中功率i g b t 整流器研究 2 6 垄互j 燮耋婴 堂垡笙壅 篁三童圭皇堕堡生 2 6 所示的b o o s t z c t p w m 变换器为例讨论z c t 辅助电路的设计 由于关断过程比开通过渡过程关键 以下设计过程主要基于关断需 求 为简单起见 忽略电路寄生的影响 为了有效降低关断损耗 关断过渡过程t 7 一t 时间段的长度t 应足够大 使主开关的大部分 存储电荷能重组 下列分析设计中 设电感电流最大值为i 谐振 电流峰值为i 从2 9 所示的状态平面轨迹中能得到 8 7 2 c o s 脚 三 c c o s 叫厅 3 3 式中 聊 r 2 z c 不失准确性 假设v 在t j 时刻为 零 可设 p z 3 4 t 的选择与器件有关 总之 t 应大 主开关的电流下降 时间 可通过增加i 或t 来得到较长的t 设计目标是将在一 给定的t 中 由软开关动作而产生的导通损耗减至最小 最优设 计要求具有所有丁f 关 二极管和无功元件的功耗模型 且十分复杂 为简化分析 我们假设由软开关引起的功耗与辅助电流成正比 即 功耗可看成是一个电压源 其值由谐振路径巾的元件决定 不失准 确性 还假设辅助电路中的q d d 具有相同的导通压降 而主 电路中的开关及二极管有相同的导通压降 由于辅助电流总是流经 l c 以及辅助电路的一个开关或二极管 所以辅助电路中的功 率的等效压降 在下述讨论中设为v 在所有的换流阶段均为恒定 但主要功率阶段的导通损耗在i o 时减小 而在i o 上升 主开 关 或二极管 的压降假设为辅助电路中总压降的l 七 即屹 t 从状态平面图可知 软开关动作的状态平面轨迹大致可分为两个 取零电流转移中功率i g b t 整流器研究 l 互奎望盔堂受主兰垡笙塞 篓三壅圭皂墅堡生 慰 其中一个落半径为v 茄一个半径为z i 由于谐振电容的电 荷变换等于辅助电流的积分 所以璇助电路在一个开关周期内麴损 耗可由下式计算出 e l t c 4 v o 4 z o j 2 0 m v i p k t z 3 5 主开关或二极管中的魄滚为l i 由予谐掇 j 妻程中 i 出象 交到正 所戳其对主电路导通损耗的净影响在l i l i 部分为零 所 以t 出较开关产生瓣差电路中的酣挺导遴损耗只由i 幅值大予i 的那部分决定 如图2 8 中t t 时间段的阴影部分所示 而每 个开关嬲辎的合成能耗为 易 2 x l m 2 一2 m c o s 1 蹦 j 彤 n 3 6 结合式 3 5 3 6 可得到由软开关换流引起的总的导 通损耗 e 茹e l e 2 2 v j 蹦c l 掰 十 丽一卅c o s 1 删 七j 石 3 7 在特定的设计中 v t 和最大输入电流i 均给定 因此 设计强标楚将标么能耗降至最低 却 r 硝 2 t l 删 正i 一埘c o s 1 m k m c o s 1 3 8 在实际变流器中 k 通常在2 4 之间 一个好的设计应选择l c 侵莨在电感电流最大时达到其最小德 一个好的设计应使m 落在 0 5 0 7 之间 一旦选定m m 即可计算出l c 即 l 砀 2 m t c o s m c 玛i 2 v o c o s 肘 3 9 丽时 设计还要求i l 一般情况下 1 1 一1 2 又己知 北方交通大学硕士学位论文第三章主电路没计 ip k y o 瓯 文 扛i 3 t o 根据第一章中介绍的系统设计要求 可计算出 l r 9 c r 0 2 8 卢 3 4 散热器的设计 3 4 1 散热基本理论 散热器设计的任务是根据传热学的基本原理 为器件设计一个 热阻尽可能低的热流通路 使器件发出的热量能通过它尽快地发散 出去 从而保证器件在运行时 其内部的结温保持在允许的结温之 内 散热器有三种传热方式 热传导 热对流和热辐射 热传导是指热量通过直接接触的物体从高温端传向低温端 它 是功率半导体器件的结到壳和外壳到散热器的最有效方法 热对