CN112260571A - 一种具有软开关特性的高频电源逆变系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，包括全桥逆变电路模块、具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块；其中，所述全桥逆变电路模块作为电除尘用高频电源的核心组成部分，控制着高频电源装置的电压输出，具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块串联于所述全桥逆变电路模块输出端，能够降低所述全桥逆变电路模块中IGBT元器件开关损耗、避免电磁干扰带来的隐患。本发明通过增加一些小容量的电容、小容量的电感构成LCC谐振电路，将LCC并联谐振电路引入电除尘高频电源逆变电路中，起到辅助换流系统降低开关损耗的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，具体涉及一种在电除尘高频电源逆变电路中引入LCC并联谐振电路，共同构成具有软开关特性的高频电源逆变系统。
背景技术
传统电除尘设备大多采用可控硅工频电源，具有输出直流脉动大、能量转换效率低、三相输出电压不平衡，对用电设备闪络冲击大等缺点。电除尘用高频电源(HighFrequency Power Supply)作为一种新型大功率直流电源用IGBT等大功率开关电子元器件代替传统的可控硅工频电子元器件，与传统工频电源相比，具有输出电压等级高、功率因素高，与电除尘其他用电设备的匹配性能良好、电源的转换效率高等特点。实现了对能源高效利用、提升电除尘工作效率、减少工厂烟气污染粉尘排放的目的。
电除尘用高频电源作为一种大功率电源，其中的逆变电路模块常常工作于高功率环境中，逆变电路模块中的IGBT开关元器件在开通、关断过程中功率较大，并且由于输出是高频信号，所以开关频率很高。IGBT开关元器件在通断过程中两端施加电压与流过的电流在时间上存在重叠关系，这就会导致开关损耗，此类IGBT开关元器件通断过程就是逆变电路的硬开关运行状态。逆变电路的硬开关运行会导致IGBT开关元器件温度升高，引起IGBT元器件开关损耗进一步增大，严重时会烧毁整个电路。另外，逆变电路的硬开关运行还会导致控制系统存在电磁干扰现象，对整个高频电源控制系统的稳定运行带来了隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，通过增加一些小容量的电容、小容量的电感构成LCC谐振电路，将LCC并联谐振电路引入电除尘高频电源逆变电路中，起到辅助换流系统降低开关损耗的作用；从降低开通损耗，关断损耗两个方面实现软开关功能；从变压器自身漏感、外接串联电容和变压器绕组分布电容分析LCC串并联谐振电路参数。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，包括全桥逆变电路模块、具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块；其中，
所述全桥逆变电路模块作为电除尘用高频电源的核心组成部分，控制着高频电源装置的电压输出，具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块串联于所述全桥逆变电路模块输出端，能够降低所述全桥逆变电路模块中IGBT元器件开关损耗、避免电磁干扰带来的隐患。
本发明进一步的改进在于，包括全桥逆变电路模块包括IGBT开关元器件V1-V4，IGBT开关元器件V2的集电极连接GBT开关元器件V1的发射极，IGBT开关元器件V4的集电极连接GBT开关元器件V3的发射极，IGBT开关元器件V1的集电极和IGBT开关元器件V3的集电极连接在滤波电容C的一端，IGBT开关元器件V2的发射极和IGBT开关元器件V4的发射极连接在滤波电容C的另一端。
本发明进一步的改进在于，全桥逆变电路模块所采用的IGBT开关元器件在选型时，从1)耐流值和2)耐压值两个方面考虑。
本发明进一步的改进在于，1)耐流值：IGBT开关元器件耐流值即最大电流值为整流模块输出电流的2倍，电除尘用高频电源直流母线电流IDC＝150A，则IGBT开关元器件耐流值为300A，依据规程：IGBT开关元器件短时耐流要达到输入电流的2-3倍，所以在IGBT开关元器件选型时，耐流参数选择为600A。
本发明进一步的改进在于，2)耐压值：逆变电路模块两端输入电压即整流模块输出电压最大值UDC＝561V，在全桥逆变电路中，每桥臂由两个IGBT开关元器件串联组成，故每个IGBT开关元器件耐压值为561/2＝280.5V，依据规程：IGBT开关元器件短时耐压要达到输入电压的2-3倍，所以在IGBT开关元器件选型时，耐压参数选择为841.5V。
本发明进一步的改进在于，具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块在软开关技术实际应用的，将开断灵活组合以达到最优通断效果，在电除尘用高频电源逆变电路模块，利用零电压开通方式来降低开通损耗，利用零电流关断方式消来降低关断率损耗。
本发明进一步的改进在于，零电压开通原理是：在IGBT开关元器件开通之前，先使其两端电压降为零，在IGBT开关元器件开通过程中，对元器件下达门极驱动命令信号，减少开通过程中的电流、电压重叠时间进而降低功率损耗。
本发明进一步的改进在于，零电流关断原理是：在经IGBT开关元器件逆变得到的交流电自然过零点附近，不再下达门极驱动命令信号，使IGBT开关元器件处于无电流流过状态下关断；采用LCC谐振电路拓扑作为逆变电路模块的后级电路实现软开关特性，LCC并联谐振电路三个参数：变压器自身漏感Ls、外接串联电容Cs和变压器绕组分布电容Cp，在参数选型上，根据规定：变压器自身漏感Ls和变压器绕组分布电容Cp与设备特性有关，在电除尘用高频电源谐振电路中，变压器自身漏感取值范围为：12μH≤LS≤15μH，变压器绕组分布电容
取变压器自身漏感LS＝13μH，变压器绕组分布电容CP＝1μF，升压变压器匝数比为1:153；外接串联电容Cs计算公示为：
其中：fs——逆变电路模块输出频率，kHz；η——电源转换效率，取95％；k——等效分布电容于串联谐振电容之比，
通过计算得出外接串联电容Cs＝6μF。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，通过增加一些小容量的电容、小容量的电感构成LCC谐振电路，将LCC并联谐振电路引入电除尘高频电源逆变电路中，起到辅助换流系统降低开关损耗的作用。
2.本发明从降低开通损耗，关断损耗两个方面实现软开关功能。
3.本发明从变压器自身漏感、外接串联电容和变压器绕组分布电容分析LCC串并联谐振电路参数。
附图说明
图1为高频电源逆变系统全桥逆变电路图。
图2为IGBT工作在软开关电路中电压、电流图。
图3为LCC并联谐振电路图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，逆变电路模块作为电除尘用高频电源的核心组成部分，控制着高频电源装置的电压输出。
全桥逆变电路是由四个IGBT开关元器件组成，有效克服了半桥逆变电路的输出电压过低等缺点，全桥逆变电路在工作状态下，对侧两个IGBT开关元器件同时通断，同侧IGBT开关交替通断，得到A、B两相交流电。具体的，全桥逆变电路模块包括IGBT开关元器件V1-V4，IGBT开关元器件V2的集电极连接GBT开关元器件V1的发射极，IGBT开关元器件V4的集电极连接GBT开关元器件V3的发射极，IGBT开关元器件V1的集电极和IGBT开关元器件V3的集电极连接在滤波电容C的一端，IGBT开关元器件V2的发射极和IGBT开关元器件V4的发射极连接在滤波电容C的另一端。
在电除尘用高频电源电路拓扑中，大多采用全桥逆变电路拓扑结构。对于里面所采用的IGBT开关元器件在选型时，需从(1)耐流值和(2)耐压值两个方面考虑：
(1)耐流值
IGBT开关元器件耐流值即最大电流值为整流模块输出电流的2倍，电除尘用高频电源直流母线电流IDC＝150A，则IGBT开关元器件耐流值为300A，依据规程：IGBT开关元器件短时耐流要达到输入电流的2-3倍，所以在IGBT开关元器件选型时，耐流参数选择为600A。
(2)耐压值
逆变电路模块两端输入电压即整流模块输出电压最大值UDC＝561V，在全桥逆变电路中，每桥臂由两个IGBT开关元器件串联组成，故每个IGBT开关元器件耐压值为561/2＝280.5V，依据规程：IGBT开关元器件短时耐压要达到输入电压的2-3倍，所以在IGBT开关元器件选型时，耐压参数选择为841.5V。
如图2所示，软开关技术的原理是：在硬开关主电路拓扑结构的基础上，增加一些小容量的电容或小容量的电感构成谐振电路，使其组成辅助换流系统降低开关损耗，为了进一步说明软开关的原理，需要分析如何降低开关损耗，开关损耗按照状态可以分为1.开通损耗，2.关断损耗。
1.开通损耗
为了降低IGBT开关元器件开通损耗，目前广泛使用两种方法：(1)零电流开通、(2)零电压开通。
(1)零电流开通
零电流开通原理是：在IGBT开关元器件开通过程中，保持整个过程元器件内无电流输入，或者整个过程输入电流缓慢，这就会降低IGBT开关元器件开通过程中的电流、电压重叠时间进而降低功率损耗。为了解决IGBT开关元器件感性开通问题，也可以采用零电流开通方式。
(2)零电压开通
零电压开通原理是：在IGBT开关元器件开通之前，先使其两端电压降为零，在IGBT开关元器件开通过程中，对元器件下达门极驱动命令信号，减少开通过程中的电流、电压重叠时间进而降低功率损耗。为了解决IGBT开关元器件容性开通问题，也可以采用零电压开通方式。
2.关断损耗
为了降低IGBT开关元器件关断损耗，目前广泛使用两种方法：(1)零电流关断、(2)零电压关断。
(1)零电流关断
零电流关断原理是：在经IGBT开关元器件逆变得到的交流电自然过零点附近，不再下达门极驱动命令信号，使IGBT开关元器件处于无电流流过状态下关断，称为零电流关断。
(2)零电压关断
零电压关断原理是：在经IGBT开关元器件逆变得到的交流电自然过零点附近，在开关元器件关断过程中，使IGBT两端电压保持在过零点附近，或延缓电压上升速度，少关断过程中的电流、电压重叠时间进而降低功率损耗。
在软开关技术实际应用的，通常是将上述开断灵活组合达到最优通断效果，在电除尘用高频电源逆变电路模块，通常是利用零电压开通方式来降低开通损耗，利用零电流关断方式消来降低关断率损耗。
如图3所示，为了在电除尘用高频电源内实现软开关功能，本发明采用谐振电路拓扑作为逆变电路模块的后级电路来解决IGBT开关元器件的损耗问题。
LCC并联谐振(Series-Parallel Resonant Converter，SPRC)电路拓扑，是由：变压器自身漏感Ls、外接串联电容Cs和变压器绕组分布电容Cp构成，这些需要抑制的寄生参数，在LCC并联谐振电路中得到了很好的利用。变压器自身漏感Ls作为谐振电感，变压器绕组分布电容Cp作为谐振电容。
LCC并联谐振电路具有容性滤波特性，根据运行模式的不同分为：连续电流运行模式(Continuous.Current Mode，CCM)和间断电流运行模式(Discontinuous Current Mode，DCM)。两种运行模式适用于不同功率输出电源内，具有连续电流运行模式CCM的LCC并联谐振电路适用于输出为中小功率的电源内，当IGBT开关元器件开关频率过高时，实现零电压开断，降低元器件开关损耗。具有间断电流运行模式DCM的LCC并联谐振电路适用于高频、高压、大功率电源电路拓扑中，可以实现零电流开断，同时，具有间断电流运行模式DCM的LCC并联谐振电路拓扑简单，软开关原理简单、易行，输出交流电压动态性能好，可以响应负载大范围变换，是电除尘有高频电源实现软开关功能的最优方案。
对于LCC并联谐振电路三个参数：变压器自身漏感Ls、外接串联电容Cs和变压器绕组分布电容Cp，在参数选型上，根据规定：变压器自身漏感Ls和变压器绕组分布电容Cp与设备特性有关，在电除尘用高频电源谐振电路中，变压器自身漏感取值范围为：12μH≤LS≤15μH，变压器绕组分布电容
本发明取变压器自身漏感LS＝13μH，变压器绕组分布电容CP＝1μF，升压变压器匝数比为1:153。外接串联电容Cs可以由式(1)计算得到：
式(1)中：fs——逆变电路模块输出频率(kHz)；η——电源转换效率，取95％；k——等效分布电容于串联谐振电容之比，
通过计算可以得出外接串联电容Cs＝6μF。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，包括全桥逆变电路模块、具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块；其中，
所述全桥逆变电路模块作为电除尘用高频电源的核心组成部分，控制着高频电源装置的电压输出，具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块串联于所述全桥逆变电路模块输出端，能够降低所述全桥逆变电路模块中IGBT元器件开关损耗、避免电磁干扰带来的隐患。
2.根据权利要求1所述的一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，全桥逆变电路模块包括IGBT开关元器件V1-V4，IGBT开关元器件V2的集电极连接GBT开关元器件V1的发射极，IGBT开关元器件V4的集电极连接GBT开关元器件V3的发射极，IGBT开关元器件V1的集电极和IGBT开关元器件V3的集电极连接在滤波电容C的一端，IGBT开关元器件V2的发射极和IGBT开关元器件V4的发射极连接在滤波电容C的另一端。
3.根据权利要求2所述的一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，全桥逆变电路模块所采用的IGBT开关元器件在选型时，从1)耐流值和2)耐压值两个方面考虑。
4.根据权利要求3所述的一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，1)耐流值：IGBT开关元器件耐流值即最大电流值为整流模块输出电流的2倍，电除尘用高频电源直流母线电流IDC＝150A，则IGBT开关元器件耐流值为300A，依据规程：IGBT开关元器件短时耐流要达到输入电流的2-3倍，所以在IGBT开关元器件选型时，耐流参数选择为600A。
5.根据权利要求3所述的一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，2)耐压值：逆变电路模块两端输入电压即整流模块输出电压最大值UDC＝561V，在全桥逆变电路中，每桥臂由两个IGBT开关元器件串联组成，故每个IGBT开关元器件耐压值为561/2＝280.5V，依据规程：IGBT开关元器件短时耐压要达到输入电压的2-3倍，所以在IGBT开关元器件选型时，耐压参数选择为841.5V。
6.根据权利要求2所述的一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，具有软开关特性的LCC并联谐振电路模块在软开关技术实际应用的，将开断灵活组合以达到最优通断效果，在电除尘用高频电源逆变电路模块，利用零电压开通方式来降低开通损耗，利用零电流关断方式消来降低关断率损耗。
7.根据权利要求6所述的一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，零电压开通原理是：在IGBT开关元器件开通之前，先使其两端电压降为零，在IGBT开关元器件开通过程中，对元器件下达门极驱动命令信号，减少开通过程中的电流、电压重叠时间进而降低功率损耗。
8.根据权利要求6所述的一种具有软开关特性的高频电源逆变系统，其特征在于，零电流关断原理是：在经IGBT开关元器件逆变得到的交流电自然过零点附近，不再下达门极驱动命令信号，使IGBT开关元器件处于无电流流过状态下关断；采用LCC谐振电路拓扑作为逆变电路模块的后级电路实现软开关特性，LCC并联谐振电路三个参数：变压器自身漏感Ls、外接串联电容Cs和变压器绕组分布电容Cp，在参数选型上，根据规定：变压器自身漏感Ls和变压器绕组分布电容Cp与设备特性有关，在电除尘用高频电源谐振电路中，变压器自身漏感取值范围为：12μH≤LS≤15μH，变压器绕组分布电容
取变压器自身漏感LS＝13μH，变压器绕组分布电容CP＝1μF，升压变压器匝数比为1:153；外接串联电容Cs计算公示为：
其中：fs——逆变电路模块输出频率，kHz；η——电源转换效率，取95％；k——等效分布电容于串联谐振电容之比，
通过计算得出外接串联电容Cs＝6μF。
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|---|---|---|---|---|
| CN113691141A (zh) * | 2021-10-11 | 2021-11-23 | 重庆平创半导体研究院有限责任公司 | 一种dc-dc变换器拓扑结构 |
| CN113690012A (zh) * | 2021-08-24 | 2021-11-23 | 合肥市武汉大学创新技术研究院 | 一种可控电感器的灵活高效多谐振无线电力传输系统 |
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2020
- 2020-11-23 CN CN202011325445.9A patent/CN112260571A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 牟晋力: ""高频高压除尘电源研制"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑，2015年第02期》 * |
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