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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