CN208723786U - 基于igbt的中功率软开关boost升压模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，包括软开关电路的谐振电感Lr、滤波电感L1，滤波电容C3、反并联二极管，由谐振电感Lr、二极管一D1、二极管二D2、谐振电容一C1、谐振电容二C2构成谐振电路，谐振电容二C2一端连接二极管三D3、另一端二极管四D4，谐振电感Lr经二极管四D4连接负载，IGBT管作为开关管S1，开关管S1经滤波电感L1滤波后与谐振电路并联，并将电路中的半导体器件开关管S1、二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4按电路排布制成模块。其将IGBT及二极管有效地集成在模块内部，缩小体积；提高了逆变器在BOOST升压过程中的效率，降低散热成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，用于光伏逆变器中。
背景技术
目前市场上面的中功率逆变器设计均是采用双极性来设计的，基本模式均是前级硬开关BOOST升压拓扑外加后级的三相三电平的拓扑，这样子DC输入电源在经过前级BOOST升压后能够有效地进入到注入到母线电容里，进而有效地实现逆变环节。
其缺点是：
1、升压过程的效率比较低下，损耗比较大；
2、逆变器的设计过程中必须使用较大面积的散热器，充分散热；
3、市面上的一些软开关拓扑均是使用单管且均处于小功率段。
软开关是使用软开关技术的开关过程，理想的软开关过程是电流或电压先降到零，电压或电流再缓慢上升到断态值，所以开关损耗近似为零。软开关能够实现功率变换器件的高频化。软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关增加了反并联二极管，而硬开关电路中不需要这个二极管。降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，使开关噪声减小。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，为用于中功率逆变器的软开关模块。
本实用新型目的通过下述方案实现：一种基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，包括软开关电路的谐振电感Lr、滤波电感L1，滤波电容C3、反并联二极管，其特点是：由谐振电感Lr、二极管一D1、二极管二D2、谐振电容一C1、谐振电容二C2构成谐振电路，谐振电容二C2一端连接二极管三D3、另一端二极管四D4，谐振电感Lr经二极管四D4连接负载，IGBT管作为开关管S1，开关管S1经滤波电感L1滤波后与谐振电路并联，并将电路中的半导体器件开关管S1、二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4按电路排布制成模块。本模块可应用于光伏逆变器的前级BOOST电路中。
为了解决负载增大或占空比增大引起的开关管S1不能实现零电流开通的问题，所述的滤波电感L1和谐振电感Lr为一个三点式中心抽头的电感。
本实用新型的优越性在于：
1、本实用新型模块将IGBT及二极管有效地集成在模块内部，缩小体积；
2、提高了逆变器在BOOST升压过程中的效率，同时也一定程度上降低散热成本；
3、可以有效的减小杂散电感，使整机的EMI有效地降低；
4、在生产过程中可以有效地减少安装的过程，同时降低生产成本。
附图说明
图1软开关电路原理图；
图2本实用新型模块示意图；
图3当IGBT管S1处于关断模式状态1；
图4当IGBT管S1处于开通模式状态2；
图5当电感Lr电流为时，电路发生谐振状态；
图6状态4，电路发生另一谐振状态；
图7软开关管S1处于开通状态5；
图8 开关管S1零电压关断；
图9状态7电容二C2向负载放电；
图10状态8两条路径对负载进行放电；
图11状态9两条路径对负载进行放电；
图12将L1、Lr更换为中心抽头式的电感。
具体实施方式
以下结合对本实用新型详述。
实施例1
如图1所示，一种基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，包括软开关电路的谐振电感Lr、滤波电感L1，滤波电容C3、反并联二极管，其特点是：由谐振电感Lr、二极管一D1、二极管二D2、谐振电容一C1、谐振电容二C2构成谐振电路，谐振电容二C2一端连接二极管三D3、另一端二极管四D4，谐振电感Lr经二极管四D4连接负载，IGBT管作为开关管S1，开关管S1经滤波电感L1滤波后与谐振电路并联，并将电路中的半导体器件开关管S1、二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4按电路排布制成模块，分别有连接脚P1、P3、P6、P7和P8，如图2所示。
如图3所示，当开关管S1处于关断模式状态1，电源Upv经过滤波电感L1、谐振电感Lr和二极管四D4向负载RL进行供电，此时谐振电容一C1的电压Uc1=Uo，谐振电容二C1的电压Uc2=0，滤波电感L1和谐振电感Lr的电流为：；
如图4所示，开关管S1开通状态2，滤波电感L1的电流恒定，流过谐振电感Lr的电流不能突变，只能逐渐减小，在开关管S1开通的瞬间是零电流开通，此时，谐振电容一C1的电压为Uc1=Uo，谐振电容二C2的电压为Uc2=0，电流满足：，当谐振电感Lr电流为，二极管四D4关断；
如图5所示，当谐振电感Lr电流为时，电路发生谐振状态3，谐振回路。谐振过程中，谐振电容一C1的能量转移到谐振电容二C2，谐振电容一C1的电压逐渐降低，谐振电容二C2的电压从0逐渐增加，当某时刻谐振电容一C1的电压会谐振到0，为开关管S1的零电压关断创造条件；其中，谐振电容C1的放电时间远小于IGBT管S1的开关周期。
如图6所示，当谐振电容一C1的电压Uc1=0时，谐振回路发生改变，呈状态4，谐振回路为：，谐振电感Lr中存储的磁场能量转换为谐振电容二C2中的电场能量，谐振电容C2电压继续上升，当谐振电感Lr的能量完全转移到谐振电容二C2中时，此状态结束。
其中，谐振电容二C2的电压与电感Lr与电容C1的取值有关。
2.5状态5
如图7所示，开关管S1处于开通状态5时，与硬开管的boost电路类似，此状态对滤波电感L1进行储能。
以上5种状态，就是开关管S1开通的过程。
如图8所示，开关管S1零电压关断状态6，开关管S1关断，开关管S1两端电压被谐振电容一C1钳位，逐渐上升，从而实现开关管S1零电压关断，当谐振电感Lr左侧A点的电压等于（Uc3-Uc2）时，此状态结束，进入下一个状态；
如图9所示，为状态7，谐振电容一C1电压继续上升，谐振电感Lr两端电压也随之上升，流过二极管三D3的电流逐渐增加，开始对谐振电容二C2进行放电，谐振电容一C1电压Uc1达到电容三C3的Uc3时，谐振电感Lr两端电压上升到谐振电容二C2电压Uc2，结束此状态；
如图10所示，为状态8，当谐振电容C1的电压Uc1等于电容三C3的电压Uc3时，流过滤波电感L1的电流经过下面两条路径对负载进行放电。路径1：，路径2：，谐振电容二C2的电压逐渐减小，当谐振电容二C2的电压Uc2=0时，结束此状态；
如图11所示，为状态9，当谐振电容二C2的电压Uc2=0时，流过滤波电感L1的电流通过下面两条路径对负载进行供电，路径1：，路径2：，两条路径中，A、B两点电压相同，所以Lr两端电压等于二极管一D1、二极管二D2的管压降之和，根据公式，电感两端有电压，电流就会变化，在本电路中，Lr两端为正电压，故流过谐振电感Lr、二极管四D4支路的电流会逐渐增大，因为流过滤波电感L1的电流恒定，所以流过二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3支路的电流会逐渐减小。
此时电路输出功率为3.6KW时，S1实现零电流开通，如果时间足够长，流过二极管四D4的电流会增加到等于流过滤波电感L1的电流，流过二极管三D3的电流会逐渐减小到0。
开关管S1可以实现零电流开通的条件是：流过二极管三D3的电流必须减小到0，但随着负载的增加或占空比的增加，流过二极管三D3的电流会出现减不到0的情况。
但当电路输出功率为14.4KW时，S1未实现零电流开通，虽然流过二极管四D4的电流在增加，二极管三D3的电流在减小，但由于二极管三D3的电流下降速率较慢，在开关管S1开通之前，二极管三D3的电流仍未减小到0，这就导致S1不能实现零电流开通。
实施例2
为了解决负载增大或占空比增大引起的开关管S1不能实现零电流开通的问题，特对电路中进行如下调整。
将之前L1与Lr替换为三点式中心抽头的电感，如下图12所示：
更换电感之后，在此工作状态下，Lr的电感会在原来两个二极管压降之和的基础上增加耦合电势，耦合电势有助于二极管四D4电流快速上升，二极管三D3电流迅速减小。
Claims (3)
1.一种基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，包括软开关电路的谐振电感Lr、滤波电感L1，滤波电容C3、反并联二极管，其特点是：由谐振电感Lr、二极管一D1、二极管二D2、谐振电容一C1、谐振电容二C2构成谐振电路，谐振电容二C2一端连接二极管三D3、另一端二极管四D4，谐振电感Lr经二极管四D4连接负载，IGBT管作为开关管S1，开关管S1经滤波电感L1滤波后与谐振电路并联，并将电路中的半导体器件开关管S1、二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4按电路排布制成模块。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，其特征在于：所述的滤波电感L1和谐振电感Lr为一个三点式中心抽头的电感。
3.根据权利要求1所述的基于IGBT的中功率软开关BOOST升压模块，其特征在于：所述谐振电容一C1的放电时间远小于开关管S1的开关周期。
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|---|---|---|---|---|
| CN113904576A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-07 | 南京信息工程大学 | 一种集成升压光伏并网逆变器及其控制方法 |
| CN115037181A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-09-09 | 北京交通大学 | 基于非谐振软开关的两级式升压逆变器 |
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