Yeni bir tip PWM invertör soğurma devresi
Zhu Xiumin1, Wei Jincheng1, Wei Li1, Long Yong2, Wang Yao2, Cao Taiqiang1
(1. Elektrik ve Elektronik Bilgi Okulu, Xihua Üniversitesi, Chengdu 610039, Sichuan; 2. Elektrik Bilgi Mühendisliği Okulu, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, Sichuan)
Anahtar tüpünün sıcaklık artışının hızlanmasına ve anahtar tüpünün hizmet ömrünün kısalmasına neden olan geleneksel anahtar tüpü absorpsiyon devresinin (RCD) büyük enerji tüketimi göz önüne alındığında, yeni bir tür pasif ve kayıpsız yumuşak anahtarlama absorpsiyon devresi (Kayıpsız Pasif Yumuşak Anahtarlamalı Snubber, LPSSS) önerilmektedir. , Geleneksel absorpsiyon devresinin kendisinin enerji kaybını çözün ve aynı zamanda enerji geri kazanımı gerçekleştirin. İnvertör devresindeki IGBT kapatma işleminde aşırı gerilim nedenlerinin teorik analizi ile RCD absorpsiyon devresi ve yeni LPSSS devresinin çalışma prensibi analiz edilir. İnvertördeki LPSSS absorpsiyon devresinin analizi sayesinde, LPSSS devresinin IGBT kapatma işlemi sırasında aşırı gerilim dv / dt'yi etkili bir şekilde bastırdığı ve aynı zamanda absorpsiyon devresinin enerji kaybını en aza indirdiği, enerji geri beslemesini gerçekleştirdiği ve iyileştirdiği görülebilir. Enerji dönüşüm verimliliği. Simülasyon analizi, anahtar tüpünün aşırı geriliminin yaklaşık% 5,2'ye düştüğünü gösterir, bu da LPSSS devresinin etkinliğini ve uygulanabilirliğini doğrular.
Soğurma devresi; PWM invertör; SABRE simülasyonu
TN709; TM46
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.07.035
Çince alıntı biçimi: Zhu Xiumin, Wei Jincheng, Wei Li ve diğerleri.Yeni bir PWM inverter soğurma devresi tipi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (7): 138-141, 145.
İngilizce alıntı biçimi: Zhu Xiumin, Wei Jincheng, Wei Li, ve diğerleri.PWM invertörüne dayalı yeni bir söndürücü devre. Application of Electronic Technique, 2016, 42 (7): 138-141, 145.
0 Önsöz
Güç anahtarının güvenli ve güvenilir çalışmasını sağlamak için, güç anahtarı güvenli bir çalışma alanında çalışmalıdır. Ancak zorlu anahtarlama koşullarında, güç anahtarı tüpü, açma ve kapatma işlemi sırasında aşırı gerilim ve aşırı akıma dayanabilir. Aşırı di / dt ve dv / dt darbesi, anahtar borusunun ısınmasına neden olacaktır.Koruyucu önlem alınmazsa, güç anahtarı borusu güvenli çalışma alanını aşabilir ve hasar görebilir. Bu nedenle, güç anahtarı tüp devresinde, anlık aşırı gerilimi ve aşırı akımı önlemek, anahtarlama kayıplarını azaltmak ve anahtar borusunun güvenli bir çalışma alanında çalışmasını sağlamak için genellikle bir soğurma devresi veya yumuşak anahtarlama teknolojisi ayarlanır.
İnvertörler için yaygın olarak kullanılan absorpsiyon devreleri, pasif paralel RC devrelerini, paralel RCD absorpsiyon devrelerini ve aktif absorpsiyon devrelerini içerir. Aktif absorpsiyon devresi, devre yapısı ve kontrol yönteminde daha karmaşıktır ve maliyeti nispeten yüksektir.Bu nedenle, pasif absorpsiyon devresi, aktif absorpsiyon devresine göre mühendislikte daha kapsamlı bir uygulamaya sahiptir. Eviricilerde yaygın olarak kullanılan üç tür pasif soğurma devresi vardır: Tip A, Tip B ve Tip C. Bu üç devre, anahtar kapatıldığında oluşan aşırı gerilimi bastırabilir.Ortak özellik, emici kapasitör Cs üzerindeki gerilimin güç kaynağı gerilimine eşit olmasıdır.Kapasitör geriliminin aşma kısmındaki enerjinin bir kısmı güç kaynağına geri beslenir ve diğer kısmı direnç Rs'de tüketilir. Bunların arasında, B-tipi ve C-tipi soğurma devrelerine RCD soğurma devreleri de denir.Bu iki soğurma devresi benzer ilkelere ve basit topolojiye sahiptir ve yaygın olarak kullanılmaktadır. RCD absorpsiyon devresi, anahtarlama cihazının kapatma özelliklerini iyileştirebilmesine rağmen, devrenin dönüşüm verimliliğini azaltır ve yüksek güç durumlarında, çok fazla enerji tüketen ve hatta ekipmanın çalışma ortamını değiştiren yüksek güçlü dirençler gereklidir. Bu eksikliklerin üstesinden gelmek için, son yıllarda pasif kayıpsız yumuşak anahtarlamalı soğurma devresi (LPSSS) önerilmiştir.
LPSSS devresi bir çeşit yumuşak anahtarlama teknolojisidir.Ana devreye kondansatörler, indüktörler ve diyotlar gibi pasif bileşenler ekleyerek ana şalter komuta geçtiğinde sıfır gerilim ve sıfır akım anahtarlama koşulları oluşturur. Absorpsiyon devresinde depolanan tüm enerji yüke aktarılabildiğinden, teorik olarak absorpsiyon devresi neredeyse kayıpsızdır ve bu, dönüştürücünün verimliliğini artırmak için faydalıdır. Pasif kayıpsız soğurma devresinin bir diğer göze çarpan avantajı, ek kontrol gerektirmemesi, bu nedenle kontrol devresinin karmaşıklığını artırmaması ve dönüştürücü kontrol devresinin tasarımını etkilememesidir. Bu nedenle, devreyi basitleştirmek ve dönüşüm verimliliğini artırmak için LPSSS devresini incelemek gerekir.Mevcut literatür LPSSS devresi üzerinde çok fazla araştırma yaptı, ancak bu LPSSS devrelerinin hala belirli kusurları var. Literatürde önerilen LPSSS devresi basit bir yapıya sahiptir ve kayıpları etkili bir şekilde azaltabilir, ancak yalnızca daha düşük anahtarlama frekanslarına sahip devreler için uygundur. Literatürde önerilen LPSSS devresi, emme kapasitöründeki enerjiyi güç kaynağı terminaline veya bir transformatör veya bağlı bir indüktör aracılığıyla yüke geri besler, bu sadece anahtarın anahtarlama işlemi sırasında kaybı azaltmakla kalmaz, aynı zamanda enerji kullanım oranını da iyileştirir, ancak devre yapısı daha karmaşıktır. Maliyet yüksektir ve transformatörün ve bağlı indüktörün kaçak endüktansının incelenmesi gerekir.
Bu nedenle, Boost ve yarım köprü invertörlerinin LPSSS devresine dayanarak, yazar yeni bir tip PWM invertör LPSSS devresi önermektedir.Devre topolojisi basittir, tek fazlı ve üç fazlı tam köprü devreleri için uygundur ve sonunda geçti Simülasyon, absorpsiyon devresinin güvenilirliğini ve uygulanabilirliğini doğruladı.
1 İnvertör kaybı analizi
İnvertörün normal çalışıp çalışmayacağı, aşağıdaki koşulları karşılamalıdır: normal koşullar altında çalışırken, cihazın anahtarlama izi cihazın güvenli çalışma alanı içinde olmalı ve yeterli marj olmalıdır; PWM modunda çalışırken, toplam Kayıp, izin verilen güç dağılımından daha az olmalı ve yeterli marj olmalıdır.
IGBT kapatma işlemi sırasında, ana devrenin kaçak endüktansı Lp, IGBT toplayıcının bir voltaj tepe Ucep'ye sahip olmasına neden olacaktır. Bu durum en çok kısa devre kapatıldığında ciddidir ve Ucep güvenli çalışma alanı içinde sınırlandırılmalıdır.
Şekil 1, IGBT kapatıldığında voltaj ve akım dalga biçimlerini ve güç anahtarının güç kaybını gösterir. Bunlar arasında kuyruk akımı, kuyruk akımı, ikuyruk düşme zamanı, tf ve tdoff sırasıyla kapanma düşüş süresi ve kapanma gecikme süresidir. Her puls IGBT'sinin kapanma kaybı şu şekilde tahmin edilebilir:
Kapatma sırasında Uc yükselme hızı azaltılırsa, EI (soff) azaltılabilir. Kapatma işlemi sırasında Ic'nin düşme oranı esas olarak cihazın toplam şarjına ve azınlık taşıyıcısının kullanım ömrüne bağlıdır.
2 İnvertör RCD absorpsiyon devresinin prensip analizi
Şekil 2 (a) 'yı örnek olarak alırsak, RCD soğurma devresinin çalışma süreci üç aşamaya ayrılabilir: (1) Değişim aşaması. Kapatma sinyalini alan anahtardan tamamen kapanmaya kadar. Bu aşamada, ana döngünün parazitik endüktansı Lp içinden akan veri yolu akımı, anahtar tüpü VT'nin iki kolu ve soğurma devresi aracılığıyla şöntlenir. Bu işlem sırasında, ilk tepe voltajı V1 belirir. V1, veri yolu akımı IL, absorpsiyon devresinin parazitik endüktansı Ls ve kapama akımının di / dt'si ile ilgilidir. (2) Rezonant deşarj aşaması. Komütasyon aşaması bittikten sonra, anahtar tamamen kapanır. Ana döngünün parazitik endüktansı Lp, absorpsiyon kondansatörü Cs ile rezonansa girer, Lp'deki enerji Cs aracılığıyla rezonansa girer ve Lp'deki enerji Cs aracılığıyla salınır. Bu işlemde, ikinci bir AV2 belirir Bu artış, veri yolu akımı IL, ana döngünün parazitik indüktansı Lp, absorpsiyon kapasitansı Cs ve absorpsiyon devresinin parazitik indüktansı Ls ile ilgilidir. (3) Cs soğurma kapasitörünün deşarj aşaması. Rezonant deşarj fazı bittikten sonra, kapasitör Cs, direnç Rs, güç kaynağı ve yük aracılığıyla boşaltılır.
RCD soğurma devresinin özelliği, C1'de depolanan enerjinin, her kapanmadan önce direnç R2 aracılığıyla ana döngüye geri beslenmesidir, böylece C1 voltajı güç kaynağı voltajında korunur. Aynı zamanda, emilim direnci R2, C1 deşarjının neden olduğu akım salınımını ortadan kaldırabilir ve IGBT anahtarını nispeten kararlı bir durumda yapabilir. Bu devrenin dezavantajı, güç daha da arttığında, döngü parazitik endüktansının çok büyük hale gelmesidir, bu da geçici voltajın etkili bir şekilde bastırılamamasına neden olur. Aynı zamanda, absorpsiyon direnci Rs'nin varlığı, absorpsiyon kapasitörünün Cs deşarj süresini etkileyecektir Anahtarlama frekansı arttıkça, direnç Rs'nin sıcaklık artışı, cihazın çalışma ortamını değiştirecektir.
Soğurma devresi parametresi hesaplaması:
Formülde, IL veri yolu akımıdır, L = Lp + Ls, fs ve tr sırasıyla anahtarlama frekansı ve açma akımı yükselme süresidir. Aşırı gerilim koruma derecesi u% genellikle% 15'e ayarlanır.
3 Yeni inverter LPSSS devresinin prensip analizi ve simülasyonu
Şekil 3 (a), PWM dönüştürücünün LPSSS devresini göstermektedir. Bu topoloji devre şemasında, her bir köprü kolu grubu iki IGBT anahtarı VT1 ve VT2'den ve anahtarlarla anti-paralel olarak D1 ve D2 diyotlarından oluşur. Emici kapasitörler Cs1 ve Cs2, dv / dt'yi azaltmak ve ZVS anahtarını kapatmak için sırasıyla VT1 ve VT2'ye paralel olarak bağlanır.
Şekil 3 (b), VT1 açıldığında veya VT2 kapandığında voltaj dalga biçimini gösterir. VT1'in t0'da açıldığı varsayıldığında, emici kapasitör CS1, DS1 diyotu üzerinden yüklenir ve CS2, Cb1 ve DS2 aracılığıyla boşaltılır. Bu nedenle, bu işlem sırasında, emici kapasitör CS1'in gerilimi VCS1 yükselir ve CS2'nin gerilimi VCs2 düşer CS2 deşarjı sona erdiğinde, VCb'nin gerilimi maksimum değere ulaşır ve ardından Vdc'ye deşarj olur ve sonunda sabit kalır.
3.1 LPSSS devresinin çalışma prensibi
Analizi basitleştirmek için örnek olarak bir grup köprü kolunu alın. Emici devrenin her VT1 ve VT2 anahtarı, dv / dt'yi etkili bir şekilde azaltabilen ve ZVS anahtarını kapatabilen Cs1, Ds1 ve Cs2, Ds2 emici kapasitörler ile paralel olarak bağlanır. Soğurma kapasitöründeki enerji, kapasitör Cb'de depolanır ve son olarak enerji, Cb'nin rezonansı ve indüktör Lrl aracılığıyla güç kaynağı terminaline geri beslenir. Bir anahtarlama döngüsünde, A fazı yük akımının sabit olduğu varsayılır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, absorpsiyon devresinin çalışma modu aşağıdaki gibidir:
Mod 1, t < t0: VT1 iletken durumdadır, yük akımı yükü sabit kalır ve iVT1 = yüktür, emici kapasitör Cs1 üzerindeki voltaj sıfırdır.
Mod 2, t0 < t < t1: t0'da VT1 kapatılır ve VT2 açılır, iVT1 hızla sıfıra düşer. Yük akımı aniden değişemeyeceği için Ds1 diyotu açılır, Cs1 ve Cb kondansatörleri Ds1 üzerinden şarj edilir ve Cs2 boşaltılır.
Mod 3, t1 < t < t2: t1'de, Cs1 kondansatörü VCs1 = Vdc'ye yüklenir ve Cs2 kondansatörü 0'a boşaltılır.
Mod 4, t2 < t < t3: Parazitik endüktans Lp (Lp1 = Lp2) üzerindeki enerji Cb1 kapasitörüne aktarılır. Bu modda, VCb > Ud, enerji geri besleme devresi çalışmaya başlar ve emilen enerji güç kaynağı tarafına geri beslenir. Diyot D2 iletken durumdadır ve yük akımı yükünü sağlar.
Mod 5, t3 < t < t4: t3'te VT2 kapatılır ve VT1 açılır, iLp artmaya başlar, çünkü yük akımı sabit kalır, bu nedenle D2 hala açık durumdadır ve yük akımının bir kısmını sağlar.
Mod 6, t4 < t < t5: iLp artmaya devam eder ve Cs2 soğurma kapasitörü Lp-Cs2-Ds2 yolu üzerinden yüklenir. Cs1 depolanan enerjiyi Cb1'e aktarmaya başlar. Enerji, son olarak rezonant indüktör Lr1 ve Dr1 ve Dr2 diyotları aracılığıyla DC güç kaynağına Vdc geri beslenir. Bu modun sonunda Cs1 sıfıra boşaltılır ve Cs2 Vdc'ye yüklenir.
3.2 Simülasyon analizi
Absorpsiyon devresinin bileşen parametrelerinin makul tasarımı ve seçimi, LPSSS devresinin absorpsiyon etkisi için çok önemlidir. dv / dt ve di / dt, absorpsiyon kapasitansı Cs, parazitik endüktans Lp ve yük akımı I yükünün boyutuna bağlıdır. Mod 2'de gösterildiği gibi parazitik endüktans Lp ve absorpsiyon kapasitansı Cs rezonansa girdiğinde, dv / dt maksimum değere ulaşır ve VCs1 şu şekilde ifade edilebilir:
Yük, A fazı yük akımıdır ve fsw, anahtarlama frekansıdır.
Pratik mühendislik uygulamalarında, parazitik endüktansın doğru bir şekilde tahmin edilmesi zor olduğundan, birden fazla testle belirlenmesi gerekir. Sabre simülasyonu sırasında, DC tarafı giriş voltajı Ud = 330 V ve anahtarlama frekansı fsw = 10 kHz'dir. Lr = 1 F, parazitik endüktans Lp1 = Lp2 = 200 nF, CS1 = CS2 = 0.1 H, Cb = 1 H.
Şekil 5, sert anahtarlama devresi kullanıldığında VT1 kapatıldığında gerilim dalga biçimini (b) ve yük akımı dalga biçimini (a) gösterir. Anahtar kapatıldığında, hat parazitik endüktans Lp'nin varlığı nedeniyle, anahtar kapatıldığında çok yüksek bir tepe voltajı üretecek ve yük akımı arttıkça, tepe voltajı artacak ve maksimum tepe voltajı Ucep 522 V'a ulaşabilir. , u =% 58,2, sınır değerini% 15 aşıyor. Ek olarak, absorpsiyon kapasitörü deşarj edildiğinde, diyotun ters geri kazanım özelliğinden kaynaklanan bir voltaj salınımı meydana gelecektir. Aynı zamanda, kapatma voltajı çok hızlı yükselirse, büyük bir kapatma kaybı da üretilecektir.
Şekil 6, PWM tam köprü invertörüne kayıpsız bir soğurma devresi ekledikten sonra VT1 kapatıldığında voltaj dalga biçimini gösterir. Kapatma geriliminin tepe değeri Ucep = 349 V, u =% 5,8'dir ve etkin bir şekilde% 15 ile sınırlıdır. Ek olarak, absorpsiyon devresi, dv / dt'yi etkili bir şekilde bastırır, anahtar kapatıldığında voltaj salınımını azaltır ve sıfır voltaj kapanmasını gerçekleştirir ve ayrıca anahtar kapatıldığında kaybı etkili bir şekilde azaltır.
Şekil 7, kapasitör Cb'nin voltajını ve diyot Ds1'in akım dalga biçimini gösterir. Kapasitör Cb'nin voltajı uCb yaklaşık 330 V'ta tutulur ve şeklin A bölümü, VT1 anahtarı kapatıldığında kapasitör voltajı uCb ve diyot akımı iDr1'deki dalgalanmayı gösterir ve bölüm B, VT1 anahtarı açıldığında absorpsiyon kapasitörünün CS1 deşarjını gösterir. Dalgalanmaya neden oldu.
5 Özet
Geleneksel RCD soğurma devresine dayanan bu makale, yeni bir tür PWM inverter LPSSS devresi önermektedir ve devrenin fizibilitesi simülasyonla doğrulanmaktadır. Absorpsiyon devresi tasarımı basittir, bu sadece anahtar kapatıldığında oluşan tepe voltajını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda absorpsiyon kapasitörünün enerjisini güç kaynağına aktarır, enerji aktarım verimliliğini artırır ve devrenin çevresel gereksinimlerini azaltır. LPSSS absorpsiyon devresi, tüm anahtarlamalı güç kaynaklarının üst ve alt kol anahtar tüpleri için uygundur ve ayrıca çıkış voltajı ve akımının harmonik içeriğini artırmadan tek fazlı veya üç fazlı tam köprü devrelerine de uygulanabilir ve iyi mühendislik uygulanabilirliğine sahiptir.
Referanslar
Feng Yong, Ye Bin.IGBT inverter absorpsiyon devresinin simülasyon analizi ve parametre seçimi Elektrikli lokomotif teknolojisi, 1999 (2): 12-14.
Liu Peiqi, Wei Zhongchao, Gao Xinmai.IGBT inverter absorpsiyon devresinin araştırma ve simülasyon analizi.2013.
PENG F Z, Su Guijia, TOLBERT L M. PWM invertörler için pasif yumuşak anahtarlamalı durdurucu Power Electron. IEEE Trans, 2004, 19 (2): 363-370.
Wu Jian, He Ligao, He Weijun.Birleşik endüktif pasif kayıpsız söndürücü devrenin optimal tasarımı.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2010, 30 (24): 61-68.
Zhang Huaguang, Wang Qiang, Chu Enhui ve diğerleri.PWM İnvertörler için pasif kayıpsız bir yumuşak anahtarlamalı durdurucunun analizi ve uygulaması, IEEE.2012.
SPERB JD, ZANATTA IX, MICHELS L, vd. Üç fazlı voltaj beslemeli invertörlere uygulanan bir ZVS PWM dc-dc yardımcı dönüştürücü kullanan Re-gener-ative Undeland snubber. IEEE Trans.Ind. Electron., 2011, 58 (8 ): 3298-3307.
Chen Lihua, JOSEPH A, Tang Qingsong, et al. Pasif Yumuşak Anahtarlamalı Snubber ile 260 kVA İnvertörün geliştirilmesi ve testi. Uygulamalı Güç Elektroniği Konferansı, APEC 2007-Yirmi İkinci Yıllık IEEE, 2007: 1721-1726.
Zhang Qian, Hu Haibing, Zhang Dehua ve diğerleri.Düşük Güçlü DC / AC Çevirici için yardımcı bileşenler içermeyen kontrollü tip ZVS tekniği.Güç Elektroniği, IEEE İşlemleri, 2013, 28 (7): 3287-3296.
YUN J J, CHOE H J, HWANG Y H, et al. Pasif bir söndürücü devre kullanarak bir DC-DC artırma dönüştürücüsünün güç dönüştürme verimliliğinin iyileştirilmesi. IEEE Journals and Magazines, 2012, 59 (4): 1808-1814.
Yang Yuanyuan, Xu Weisheng. PWM yarım köprü İnvertörler için basitleştirilmiş bir kayıpsız pasif yumuşak anahtarlamalı durdurucu. IEEE. 2009, 3: 3-6.
Xu Xiaofeng, Lianjisan, Li Fengxiu.IGBT inverter soğurma devresi üzerine araştırma Güç Elektroniği Teknolojisi, 1998 (3): 43-47.
IGBT modülü için Chokhawala Rahul S.Gate sürücü değerlendirmesi.IEEE Trans.on Ind.Appl., 1996, 31 (3): 603-611.
Sun Qiang, Yu Juan, Zheng Xiangyu MOSFET inverter snubber devre simülasyon analizi Elektrik Uygulaması, 2005, 24 (5).
