PDF《逆变器开关管变驱动电流技术研究》

500 W rated load. Results show that using the proposed drive circuit, the converter'

s efficiency under rated load rose by about 0.7% compared with that when using the traditional drive method. Keywords: drive circuit;

turn鄄off loss;

spike voltage;

inverter 电源学报Journal of Power Supply Vol.17 No.3 May

2019 第17 卷第3期2019 年5月总第

83 期电源学报图1带感性负载的开关管等效电路 Fig.1 Equivalent circuit of power switch with inductive load Ud VD L ioff LD iLD Cgc Cce Cge ig V 图2开关管关断过程波形 Fig.2 Turn鄄off waveforms of power switch 压、负载特性及环境温度等[6] . 而从器件损耗大小来 看,依次是开关管损耗、磁性元件损耗和二极管损 耗,其各类因素中开关管损耗的影响是最大的[7] . 开关管的选择主要考量其安全工作区,包括电 压和电流承受能力. 受有限的电路结构和开关管型 号制约, 逆变器中常见的 IGBT 电压等级有

600 V 和1200 V 两种,而电流等级则比较多. 这使得实 际工作中,IGBT 的关断电压尖峰对安全工作的影 响非常重要. IGBT 的关断电压尖峰除与其自身特 性有关外,也受驱动电路、关断电流、电路中寄生参 数以及温度的影响[8鄄10] . 关断电流越大,驱动速度越 快,关断电压尖峰就越高;

反之亦然. 而逆变器中的 IGBT 关断电流呈正弦形状变化, 故在逆变电流峰 值处会出现最高的关断电压尖峰. 故传统的驱动电 路会依据该最高关断电压尖峰来设置驱动电阻,避 免其超出 IGBT 的额定电压并留有一定余量. 但带 来的问题是,在非逆变电流峰值处,尤其是小电流 下,该电压余量就显得较大,尽管增加了器件的可 靠性,但却牺牲了器件的效率. 为此, 本文分析了逆变器中 IGBT 关断电压尖 峰与驱动电路、关断电流间的关系,提出了一种变 恒流驱动(关断)电流的驱动电路,它能依据逆变电 流改变驱动电路的关断电流,在适当提高小电流电 压尖峰的基础上,降低了 IGBT 的关断损耗,提高了 逆变器效率.

1 恒流(关断)驱动电路对关断损耗 的影响 首先分析采用恒流驱动电路在开关管关断过 程中的影响. 图1所示为带感性负载的开关管等效 电路,图中,Cgc、Cge 和Cce 分别为开关管

3 个极间等 效电容,LD 为分布寄生电感.假设:①恒流驱动电路 的电流为 ig;

②开关过程很短,故可认为负载电流 ioff 在关断过程中为恒定值 Ioff;

③IGBT 直流跨导 Gm 和门槛电压 UT 均为恒定值. 关断过程各电量波形示意如图

2 所示,关断损 耗主要存在于[t2,t4]区间. 1)模态 1[t2,t3)电压上升期 当t=t2 时,栅射电压 uge= Ioff Gm +UT,分布式电感 LD 的电流 iLD =Ioff,开关管 V 进入有源区,集射电压 uce 开始上升, 由于栅集等效电容 Cgc 的作用,uge 近 似恒值,Cgc 以ig 恒流充电,故uce 线性上升,当uce 上 升到 Ud 时,此阶段结束. 此阶段列方程组,有Cgc duce dt = ig uce(t) t=t2 =

0 uce(t) t=t3 = Ud Eloss1 = t3 t2 乙UceIoffd d t (1) 式中,Eloss1 为模态

1 损耗. 计算得 uge ig iLD uce t0 t1 t2 t3 t4 t5 t t t t Ug Ioff Ud UT ΔU

134 第3期图3单相半桥逆变器主电路 Fig.3 Main circuit of single鄄phase half鄄bridge inverter Us1 Us2 V1 V2 VD1 VD2 L Uo R C 表1HGTG20N60A4D 电参数 Tab.1 Electric parameters of HGTG20N60A4D

2 d

2 off Eloss1 = CgcU2 dIoff 2ig (2) 可见,在此阶段,ig 越大,损耗越小. 2)模态 2[t3,t4]电流下降区 当t=t3 时,uce=Ud,二极管 VD 开始导通,负载电 流ioff 流经二极管分流,iLD 开始随 uge 的线性下降而 线性下降到 0,uce 则振荡产生尖峰电压,ΔU 为尖峰 电压超量. 列方程组为 Eloss2 = t4 t3 乙uce(t)iLD(t)dt Cge duge dt +Cgc dugc dt = ig uce(t) t=t3 = Ud uce(t) t=t4 = Ud+ΔU iLD(t) t=t3 = Ioff iLD(t) t=t4 =