IGBT或BJT三極管 ZCS完全諧振半橋變換器

好長時間之前就有人問我IGBT做LLC 為什么效率沒法像MOS的那么高.

這是因為IGBT的開關(guān)損耗主要是“拖尾電流”損耗,如果是在管子上有大電流的情況下拉低柵極電壓將其關(guān)斷,并且關(guān)斷之后管子上承受高壓,則在剛開始承受高壓的時候管子會有一些電流漏出來,就是這些電流產(chǎn)生了很大的損耗,并且有可能導致熱失效.BJT也一樣.

欲知詳情,google搜索igbt tail current即可.

市面上的LLC芯片都是為MOS設(shè)計的,設(shè)計目標是避免MOS的硬開通(在兩端承受高電壓時開通,會引起DS電容損耗),而IGBT的CE電容相比MOS低得多,這一點損耗無所謂.

IGBT應(yīng)該工作在諧振峰曲線的左側(cè),即頻率低于諧振頻率,此時半橋右端的電路表現(xiàn)為容性.當管子電流降到0時就將其關(guān)斷.

如圖是一個大功率IGBT半橋,假定輸入電壓380V.
它的時序是:
上管Q1導通,諧振電容的電壓為190V(這個電壓在運行過程中并不保持190v左右) 于是190V電壓加在漏感、變壓器初級勵磁電感上,此時次級輸出電容被充電.

隨著諧振電容漸漸被充電,諧振電容上的電壓漸漸達到電源電壓.因為勵磁電感和漏感中電流尚未歸0,它們中的電流沖到諧振電容里,將電容上的電壓充到2倍電源電壓以上.終于,電感電流歸0,之后電流開始沿IGBT的反并聯(lián)二極管(圖中未畫出)反向流動,在這一刻,IGBT的CE電壓為-1V左右,電流為0. 這時關(guān)閉上管Q1.

上管Q1關(guān)閉后, 等待反向電流過0.當電流再次過0,即可開通下管Q2. (也可以加大兩管開通的間隔,以實現(xiàn)反饋調(diào)整輸出電壓)

這個拓撲的優(yōu)勢在于以便宜的價格實現(xiàn)了超大功率.380V輸入時,用8元左右的40A 500V IGBT就可以做到4kW的功率,或用1.5元的12A BJT可以做到800W的功率.由于工作頻率低(磁芯100K左右,使用PC40/30磁料),一片普通的TL494就可以控制.

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tanknet

LV.7

2009-01-11 13:39

以前這種電源是用可控硅做的,遇到的一個主要困難就是低負載時會有音頻干擾

現(xiàn)在是IGBT,可以把最低頻率控制在20Khz,如果輸出電壓還過高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時丟失ZCS,但此時電流也小,拖尾電流損耗小) 就不會導致音頻干擾.

BJT也同理! 這個拓撲的好處還在于有充足的關(guān)斷時間(從一個管子關(guān)斷到另外一個管子開通有一定的時間間隔,而且適合關(guān)斷的時機很長(整個反并聯(lián)二極管導通時期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲時間的BJT,可以在正向電流下降到某個小值時,基極加負壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導通時期完全關(guān)閉.

缺點是有效占空比較小.對于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會增加損耗.

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swithken

LV.5

2009-02-02 13:35

正在考慮LLC的ZCS的狀態(tài)問題,謝謝你的好帖!

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zjqjl

LV.6

2009-02-02 20:44

@tanknet

以前這種電源是用可控硅做的,遇到的一個主要困難就是低負載時會有音頻干擾現(xiàn)在是IGBT,可以把最低頻率控制在20Khz,如果輸出電壓還過高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時丟失ZCS,但此時電流也小,拖尾電流損耗小)就不會導致音頻干擾.BJT也同理!這個拓撲的好處還在于有充足的關(guān)斷時間(從一個管子關(guān)斷到另外一個管子開通有一定的時間間隔,而且適合關(guān)斷的時機很長(整個反并聯(lián)二極管導通時期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲時間的BJT,可以在正向電流下降到某個小值時,基極加負壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導通時期完全關(guān)閉.缺點是有效占空比較小.對于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會增加損耗.

頂!

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h168

LV.3

2009-04-10 22:20

@tanknet

以前這種電源是用可控硅做的,遇到的一個主要困難就是低負載時會有音頻干擾現(xiàn)在是IGBT,可以把最低頻率控制在20Khz,如果輸出電壓還過高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時丟失ZCS,但此時電流也小,拖尾電流損耗小)就不會導致音頻干擾.BJT也同理!這個拓撲的好處還在于有充足的關(guān)斷時間(從一個管子關(guān)斷到另外一個管子開通有一定的時間間隔,而且適合關(guān)斷的時機很長(整個反并聯(lián)二極管導通時期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲時間的BJT,可以在正向電流下降到某個小值時,基極加負壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導通時期完全關(guān)閉.缺點是有效占空比較小.對于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會增加損耗.

你的想法是很好,但實現(xiàn)起來可能不易.
運行在諧振頻率高端的LLC是以接近50%的占空比工作的,這才是它能獲得高效率的主要原因.當然由于開關(guān)損耗的減少也使效率得到了少量的提升.
如果工作在諧振頻率低端,則是ZCS模式.看了一些相關(guān)資料,這種狀態(tài)下一般是固定導通時間,關(guān)斷時間可變,負載越輕,頻率越低,實時占空比越小,因此不能在全負載范圍內(nèi)以50%占空比工作,尤其是頻率低于1/2fs后,峰值電流很大,如此一來,必須選用電流定額很高的IGBT,咱們所期望的采用普通IGBT就能輸出大功率的想法無法達成.

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tanknet

LV.7

2009-04-11 10:02

@h168

你的想法是很好,但實現(xiàn)起來可能不易.運行在諧振頻率高端的LLC是以接近50%的占空比工作的,這才是它能獲得高效率的主要原因.當然由于開關(guān)損耗的減少也使效率得到了少量的提升.如果工作在諧振頻率低端,則是ZCS模式.看了一些相關(guān)資料,這種狀態(tài)下一般是固定導通時間,關(guān)斷時間可變,負載越輕,頻率越低,實時占空比越小,因此不能在全負載范圍內(nèi)以50%占空比工作,尤其是頻率低于1/2fs后,峰值電流很大,如此一來,必須選用電流定額很高的IGBT,咱們所期望的采用普通IGBT就能輸出大功率的想法無法達成.

可以運行在深度連續(xù)模式(通過加大輸出電感)
負載最高的時候每管占空比到50%就夠了,IGBT選型是根據(jù)最高功率來選的

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斯振電子

LV.3

2009-04-11 10:59

個人認為還存在一個工程上的難題——軟啟動問題.
ZVS模式因為是工作在感性模式,啟動時工作頻率從高頻端向低頻端掃頻.MOS中的電流是逐漸增加的.
而ZCS是工作在容性模式,如何軟啟動呢?從高向低掃頻肯定是不合適的了.從低往高掃頻呢?好像并不能解決啟動時峰值電流很大的問題.
請問樓主對這個問題怎么看待?

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tanknet

LV.7

2009-04-11 11:40

@斯振電子

個人認為還存在一個工程上的難題——軟啟動問題.ZVS模式因為是工作在感性模式,啟動時工作頻率從高頻端向低頻端掃頻.MOS中的電流是逐漸增加的.而ZCS是工作在容性模式,如何軟啟動呢?從高向低掃頻肯定是不合適的了.從低往高掃頻呢?好像并不能解決啟動時峰值電流很大的問題.請問樓主對這個問題怎么看待?

以硬開關(guān)+小占空比的模式啟動,就跟TL494的那個SS一樣
可以迅速燒熱IGBT,讓它達到平均工作溫度(70度左右)

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斯振電子

LV.3

2009-04-11 15:36

@tanknet

以硬開關(guān)+小占空比的模式啟動,就跟TL494的那個SS一樣可以迅速燒熱IGBT,讓它達到平均工作溫度(70度左右)

用PWM模式啟動的話,就存在一個非ZCS的過程,IGBT會存在大電流關(guān)斷的狀態(tài),此時雜散電感會產(chǎn)生很高的Vce尖峰.特別是IGBT和BJT的CE結(jié)電容小,這個尖峰會比MOS的硬關(guān)斷尖峰還要高.
問題這就來了,這么高的尖峰,會不會導致IGBT或BJT被擊穿?如果為了消除尖峰而加吸收電路的話,那么啟動完成后,這個吸收電路卻又變成多余的了......

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discussant

LV.6

2009-05-06 18:45

請教一個問題,工作在容性會有硬開通問題嗎?電磁加熱是要工作在弱感性的,這個和電磁加熱有什么不同?

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tanknet

LV.7

2009-05-11 00:37

@discussant

請教一個問題,工作在容性會有硬開通問題嗎?電磁加熱是要工作在弱感性的,這個和電磁加熱有什么不同?

會.但對于IGBT、BJT,大電流關(guān)斷比高電壓開通損耗大一些,對于MOS則相反.

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lesonlee

LV.5

2009-09-20 13:43

@tanknet

以前這種電源是用可控硅做的,遇到的一個主要困難就是低負載時會有音頻干擾現(xiàn)在是IGBT,可以把最低頻率控制在20Khz,如果輸出電壓還過高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時丟失ZCS,但此時電流也小,拖尾電流損耗小)就不會導致音頻干擾.BJT也同理!這個拓撲的好處還在于有充足的關(guān)斷時間(從一個管子關(guān)斷到另外一個管子開通有一定的時間間隔,而且適合關(guān)斷的時機很長(整個反并聯(lián)二極管導通時期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲時間的BJT,可以在正向電流下降到某個小值時,基極加負壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導通時期完全關(guān)閉.缺點是有效占空比較小.對于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會增加損耗.

..如果輸出電壓還過高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時丟失ZCS,但此時電流也小,拖尾電流損耗小) ..

拖尾電流不僅不小,而且還會增加很多,只是占空比小了而已.

我的方法是斷續(xù)工作

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劍心

LV.8

2009-09-21 19:32

@斯振電子

用PWM模式啟動的話,就存在一個非ZCS的過程,IGBT會存在大電流關(guān)斷的狀態(tài),此時雜散電感會產(chǎn)生很高的Vce尖峰.特別是IGBT和BJT的CE結(jié)電容小,這個尖峰會比MOS的硬關(guān)斷尖峰還要高.問題這就來了,這么高的尖峰,會不會導致IGBT或BJT被擊穿?如果為了消除尖峰而加吸收電路的話,那么啟動完成后,這個吸收電路卻又變成多余的了......

這個東西輸出可以短路,不存在啟動浪涌電流

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tanknet

LV.7

2009-09-24 01:44

@lesonlee

..如果輸出電壓還過高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時丟失ZCS,但此時電流也小,拖尾電流損耗小)..拖尾電流不僅不小,而且還會增加很多,只是占空比小了而已.我的方法是斷續(xù)工作

如果在對音頻干擾不敏感的情況下,斷續(xù)工作也是一種很好的方法

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斯振電子

LV.3

2009-11-26 18:57

@劍心

這個東西輸出可以短路,不存在啟動浪涌電流

什么東西輸出可以短路?我感覺你好象沒有明白我的意思.......

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劍心

LV.8

2009-11-26 21:01

@斯振電子

什么東西輸出可以短路?我感覺你好象沒有明白我的意思.......

ZCS變換器自身可以限制輸出短路電流,見1樓的圖

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tanknet

LV.7

2009-12-01 07:46

@斯振電子

用PWM模式啟動的話,就存在一個非ZCS的過程,IGBT會存在大電流關(guān)斷的狀態(tài),此時雜散電感會產(chǎn)生很高的Vce尖峰.特別是IGBT和BJT的CE結(jié)電容小,這個尖峰會比MOS的硬關(guān)斷尖峰還要高.問題這就來了,這么高的尖峰,會不會導致IGBT或BJT被擊穿?如果為了消除尖峰而加吸收電路的話,那么啟動完成后,這個吸收電路卻又變成多余的了......

半橋不會出現(xiàn)超過輸入電壓的Vce尖峰的,假設(shè)是上管Vce尖峰超過輸入電壓,則下管反并聯(lián)二極管開通,把Vce鉗制住.

你說的Vce尖峰只在推挽和單端拓撲中出現(xiàn).

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