IGBT或BJT三極管 ZCS完全諧振半橋變換器

好長(zhǎng)時(shí)間之前就有人問(wèn)我IGBT做LLC 為什么效率沒(méi)法像MOS的那么高.

這是因?yàn)镮GBT的開(kāi)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(kāi)始承受高壓的時(shí)候管子會(huì)有一些電流漏出來(lái),就是這些電流產(chǎn)生了很大的損耗,并且有可能導(dǎo)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(jì)的,設(shè)計(jì)目標(biāo)是避免MOS的硬開(kāi)通(在兩端承受高電壓時(shí)開(kāi)通,會(huì)引起DS電容損耗),而IGBT的CE電容相比MOS低得多,這一點(diǎn)損耗無(wú)所謂.

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

如圖是一個(gè)大功率IGBT半橋,假定輸入電壓380V.
它的時(shí)序是:
上管Q1導(dǎo)通,諧振電容的電壓為190V(這個(gè)電壓在運(yùn)行過(guò)程中并不保持190v左右) 于是190V電壓加在漏感、變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感上,此時(shí)次級(jí)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(dá)到電源電壓.因?yàn)閯?lì)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(kāi)始沿IGBT的反并聯(lián)二極管(圖中未畫(huà)出)反向流動(dòng),在這一刻,IGBT的CE電壓為-1V左右,電流為0. 這時(shí)關(guān)閉上管Q1.

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

這個(gè)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于以便宜的價(jià)格實(shí)現(xiàn)了超大功率.380V輸入時(shí),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(gè)主要困難就是低負(fù)載時(shí)會(huì)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(guò)高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時(shí)丟失ZCS,但此時(shí)電流也小,拖尾電流損耗小) 就不會(huì)導(dǎo)致音頻干擾.

BJT也同理! 這個(gè)拓?fù)涞暮锰庍€在于有充足的關(guān)斷時(shí)間(從一個(gè)管子關(guān)斷到另外一個(gè)管子開(kāi)通有一定的時(shí)間間隔,而且適合關(guān)斷的時(shí)機(jī)很長(zhǎng)(整個(gè)反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲(chǔ)時(shí)間的BJT,可以在正向電流下降到某個(gè)小值時(shí),基極加負(fù)壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期完全關(guān)閉.

缺點(diǎn)是有效占空比較小.對(duì)于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會(huì)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(wèn)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(gè)主要困難就是低負(fù)載時(shí)會(huì)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(guò)高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時(shí)丟失ZCS,但此時(shí)電流也小,拖尾電流損耗小)就不會(huì)導(dǎo)致音頻干擾.BJT也同理!這個(gè)拓?fù)涞暮锰庍€在于有充足的關(guān)斷時(shí)間(從一個(gè)管子關(guān)斷到另外一個(gè)管子開(kāi)通有一定的時(shí)間間隔,而且適合關(guān)斷的時(shí)機(jī)很長(zhǎng)(整個(gè)反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲(chǔ)時(shí)間的BJT,可以在正向電流下降到某個(gè)小值時(shí),基極加負(fù)壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期完全關(guān)閉.缺點(diǎn)是有效占空比較小.對(duì)于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會(huì)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(gè)主要困難就是低負(fù)載時(shí)會(huì)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(guò)高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時(shí)丟失ZCS,但此時(shí)電流也小,拖尾電流損耗小)就不會(huì)導(dǎo)致音頻干擾.BJT也同理!這個(gè)拓?fù)涞暮锰庍€在于有充足的關(guān)斷時(shí)間(從一個(gè)管子關(guān)斷到另外一個(gè)管子開(kāi)通有一定的時(shí)間間隔,而且適合關(guān)斷的時(shí)機(jī)很長(zhǎng)(整個(gè)反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲(chǔ)時(shí)間的BJT,可以在正向電流下降到某個(gè)小值時(shí),基極加負(fù)壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期完全關(guān)閉.缺點(diǎn)是有效占空比較小.對(duì)于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會(huì)增加損耗.

你的想法是很好,但實(shí)現(xiàn)起來(lái)可能不易.
運(yùn)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(dāng)然由于開(kāi)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(dǎo)通時(shí)間,關(guān)斷時(shí)間可變,負(fù)載越輕,頻率越低,實(shí)時(shí)占空比越小,因此不能在全負(fù)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(lái),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(wú)法達(dá)成.

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tanknet

LV.7

2009-04-11 10:02

@h168

你的想法是很好,但實(shí)現(xiàn)起來(lái)可能不易.運(yùn)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(dāng)然由于開(kāi)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(dǎo)通時(shí)間,關(guān)斷時(shí)間可變,負(fù)載越輕,頻率越低,實(shí)時(shí)占空比越小,因此不能在全負(fù)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(lái),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(wú)法達(dá)成.

可以運(yùn)行在深度連續(xù)模式(通過(guò)加大輸出電感)
負(fù)載最高的時(shí)候每管占空比到50%就夠了,IGBT選型是根據(jù)最高功率來(lái)選的

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斯振電子

LV.3

2009-04-11 10:59

個(gè)人認(rèn)為還存在一個(gè)工程上的難題——軟啟動(dòng)問(wèn)題.
ZVS模式因?yàn)槭枪ぷ髟诟行阅Ｊ?啟動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)時(shí)峰值電流很大的問(wèn)題.
請(qǐng)問(wèn)樓主對(duì)這個(gè)問(wèn)題怎么看待?

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tanknet

LV.7

2009-04-11 11:40

@斯振電子

個(gè)人認(rèn)為還存在一個(gè)工程上的難題——軟啟動(dòng)問(wèn)題.ZVS模式因?yàn)槭枪ぷ髟诟行阅Ｊ?啟動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)時(shí)峰值電流很大的問(wèn)題.請(qǐng)問(wèn)樓主對(duì)這個(gè)問(wèn)題怎么看待?

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

用PWM模式啟動(dòng)的話(huà),就存在一個(gè)非ZCS的過(guò)程,IGBT會(huì)存在大電流關(guān)斷的狀態(tài),此時(shí)雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的Vce尖峰.特別是IGBT和BJT的CE結(jié)電容小,這個(gè)尖峰會(huì)比MOS的硬關(guān)斷尖峰還要高.
問(wèn)題這就來(lái)了,這么高的尖峰,會(huì)不會(huì)導(dǎo)致IGBT或BJT被擊穿?如果為了消除尖峰而加吸收電路的話(huà),那么啟動(dòng)完成后,這個(gè)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(qǐng)教一個(gè)問(wèn)題,工作在容性會(huì)有硬開(kāi)通問(wèn)題嗎?電磁加熱是要工作在弱感性的,這個(gè)和電磁加熱有什么不同?

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tanknet

LV.7

2009-05-11 00:37

@discussant

請(qǐng)教一個(gè)問(wèn)題,工作在容性會(huì)有硬開(kāi)通問(wèn)題嗎?電磁加熱是要工作在弱感性的,這個(gè)和電磁加熱有什么不同?

會(huì).但對(duì)于IGBT、BJT,大電流關(guān)斷比高電壓開(kāi)通損耗大一些,對(duì)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(gè)主要困難就是低負(fù)載時(shí)會(huì)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(guò)高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時(shí)丟失ZCS,但此時(shí)電流也小,拖尾電流損耗小)就不會(huì)導(dǎo)致音頻干擾.BJT也同理!這個(gè)拓?fù)涞暮锰庍€在于有充足的關(guān)斷時(shí)間(從一個(gè)管子關(guān)斷到另外一個(gè)管子開(kāi)通有一定的時(shí)間間隔,而且適合關(guān)斷的時(shí)機(jī)很長(zhǎng)(整個(gè)反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期都可關(guān)管),極其適合有著不固定的存儲(chǔ)時(shí)間的BJT,可以在正向電流下降到某個(gè)小值時(shí),基極加負(fù)壓抽取載流子,然后在反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)期完全關(guān)閉.缺點(diǎn)是有效占空比較小.對(duì)于IGBT和BJT,這應(yīng)該不會(huì)增加損耗.

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

拖尾電流不僅不小,而且還會(huì)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(dòng)的話(huà),就存在一個(gè)非ZCS的過(guò)程,IGBT會(huì)存在大電流關(guān)斷的狀態(tài),此時(shí)雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的Vce尖峰.特別是IGBT和BJT的CE結(jié)電容小,這個(gè)尖峰會(huì)比MOS的硬關(guān)斷尖峰還要高.問(wèn)題這就來(lái)了,這么高的尖峰,會(huì)不會(huì)導(dǎo)致IGBT或BJT被擊穿?如果為了消除尖峰而加吸收電路的話(huà),那么啟動(dòng)完成后,這個(gè)吸收電路卻又變成多余的了......

這個(gè)東西輸出可以短路,不存在啟動(dòng)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(guò)高就轉(zhuǎn)變成調(diào)寬(此時(shí)丟失ZCS,但此時(shí)電流也小,拖尾電流損耗小)..拖尾電流不僅不小,而且還會(huì)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(duì)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(gè)東西輸出可以短路,不存在啟動(dòng)浪涌電流

什么東西輸出可以短路?我感覺(jué)你好象沒(méi)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(jué)你好象沒(méi)有明白我的意思.......

ZCS變換器自身可以限制輸出短路電流,見(jiàn)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(dòng)的話(huà),就存在一個(gè)非ZCS的過(guò)程,IGBT會(huì)存在大電流關(guān)斷的狀態(tài),此時(shí)雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的Vce尖峰.特別是IGBT和BJT的CE結(jié)電容小,這個(gè)尖峰會(huì)比MOS的硬關(guān)斷尖峰還要高.問(wèn)題這就來(lái)了,這么高的尖峰,會(huì)不會(huì)導(dǎo)致IGBT或BJT被擊穿?如果為了消除尖峰而加吸收電路的話(huà),那么啟動(dòng)完成后,這個(gè)吸收電路卻又變成多余的了......

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

你說(shuō)的Vce尖峰只在推挽和單端拓?fù)渲谐霈F(xiàn).

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