阐述电力电子集成技术的基本原理的应用效果
摘要:阐述了电力电子集成技术的基本原理,将电力电子集成技术应用于软开关功率因数校正(PFC)电路,研制出功率等级为1kW的软开关功率因数校正用电力电子集成模块。对采用该模块构成的单相功率因数校正电路进行了实验,电路工作正常,输入功率因数达0.99以上,获得良好的效果。
关键词:功率因数 校正 电力电子 集成/软开关
Abstract:The implementation of a ZVT soft-switching technique in a 1kW Power Electronic Building Block (PEBB)based single phase PFC boost rectifier is presented. The experimental results indicate that the prototype has a good perfor-mance.
Keywords:power factor; correction; power electronic; building block; soft-switching
1 概 述
随着电力电子装置技术性能和要求的提高,其设计难度增大、周期变长、成本越来越高,这些问题严重阻碍了电力电子技术的发展和应用领域的拓展。针对这些问题,提出了电力电子集成的概念[1],即将目前电力电子装置中的功率器件、驱动电路、控制电路和保护电路封装到一个集成模块中,成为一个功能相对完整的,具有一定通用性的元件。通过集成,可以使复杂的电路转化为外部结构相对简单的小型化器件功能模块。集成技术对设计中的技术和工艺的难点进行了“封装”,使设计人员通过选择一个或几个集成标准化模块并适当组合,就可完成装置的设计,相应的安装、调试过程也大为简化。原有装置中的诸如分布参数、电磁兼容等关键技术问题也可通过模块的整体优化设计加以解决,从而全面提高电力电子装置的技术性能和可靠性,使结构更复杂、功能更丰富的电力电子系统成为可能,进一步拓展电力电子技术的应用领域。
2 电力电子集成技术的原理电力电子集成技术是将电力电子系统中的功率器件、相应的驱动、保护、控制电路以及辅助电源、传感器、无源元件等以组合的形式封装为一个具备完整功能的模块(PEBB),用以构成面向不同应用的各种电力电子装置。目前中、大功率等级的电力电子集成以混合集成方案为主,即将电力电子电路按照功率级、控制级和系统级划分,再分层组合安装,形成独立的集成电力电子模块。作者通过在集成功率模块中采用软开关技术,既减小了开关损耗和噪声、降低了开关应力,又使集成模块的外形尺寸大为缩小。经过对电路谐振参数的合理设计,既确保主开关工作在软开关方式,又将辅助开关的损耗控制在尽可能小范围内,使集成功率模块的整体损耗进一步降低。
3 采用PEBB技术的软开关PFC电路的设计
3.1 零电压转换(ZVT)PFC的电路结构软开关技术可以有效减小开关损耗和噪声,降低开关应力。而在集成功率模块中采用软开关技术,又可以使PEBB的外形尺寸大为缩小。因此,软开关电路拓扑是集成模块适用的最佳电路结构。ZVT软开关PFC电路的结构如图1所示。单相交流输入经EMI滤波、全桥整流、Boost电路后输出,PWM控制芯片采用UC3854构成平均电流模式控制。应用PEBB技术,按照混合集成的思路,首先选择承受高压、大电流的功率元件进行集成。在ZVT PFC主电路中,除了储能电感Lf和谐振电感Lr这类磁性元件体积较大,不易集成外,其他元件都可以集成在一个模块内部。集成功率模块的内部电路结构如图1虚线框所示。
需要指出,PEBB中应用的软开关技术与分立的半导体器件中应用的软开关技术有所不同。原因在于,现有的软开关技术只是用来设法减小主开关的开关损耗。而PEBB是一个整体,不是某个特定的器件,PEBB的损耗当然不只局限于主开关的损耗一种,而是包含辅助开关以至无源元件的损耗。因此,必须对电路参数进行合理的设计。
3.2 元件参数的确定合理的谐振参数设计,既可确保主开关工作在软开关方式,又能将辅助开关的损耗控制在最小范围内,使集成功率模块的整体损耗降至最低。
3.2.1 谐振参数的设计依据ZVT PWM电路的零电压开关条件为[2]: Δt1定义为:主开关VS关断、辅助开关VSa导通时,升压二极管VD1从导通到关断的时间;Δt2定义为:主开关VS关断、辅助开关VSa导通时,谐振电感Lr和谐振电容Cr发生谐振,直至反并联二极管VDs导通的时间。按照式(1)设计谐振参数,只能保证主开关实现零电压开关。为了将辅助开关的损耗减到最小,还需要考虑以下两个因素:(1)最小占空比 若谐振参数Lr和Cr取值偏大,则要求更长的辅助开关导通时间,它增大了导通损耗,谐振电感值过大,还需要更长的放电时间。为确保完成谐振电感Lr的放电,主开关VS最小的导通时间应基本上等于谐振电路的导通时间,由此得出最小占空比[3]:
式中 trr升压二极管VD1的反向恢复时间T开关周期(2)损耗 如前所述,谐振参数过大,会因辅助开关VSa导通时间过长而造成导通损耗的增加。另一方面,随着谐振电感值的减小,二极管将经受更大的反向恢复电流,流过谐振电感Lr和辅助开关VSa的峰值电流也会增加,存储在谐振电感中的总能量也将增加,同样会导致集成功率模块整体损耗增加,效率下降。经过实验反复验证,Δt1取2Δt2较为合适。
3.2.2 谐振参数的设计方法(1)确定最小占空比Dmin。最小占空比出现在输入电压最高而输出电压最低处: (2)确定软开关的时间Δt1和Δt2。由式(2)可知: 升压二极管的反向恢复时间trr可以从手册中查出。(3)确定谐振电感值Lr:
式中 Ipk(max)输入电感电流IL的最大峰值(4)确定谐振电容值Cr: 按照上述原理,研制功率等级1kW的ZVT集成功率模块,构成单相PFC电路。交流输入电压范围:140~240V;直流输出电压:380V;额定输出功率:1050W;最大输出功率:1270W;功率因数:>0.99;开关频率:100kHz。ZVT PFC电路的主要元件参数:储能电感Lf为0.4mH;输出电容为4个470μF/450V电解电容并联;主开关VS和辅助开关VSa的功率MOSFET为IRFP460;升压二极管VD1和续流二极管VDa为具有软恢复特性的快恢复二极管DSE130-10;谐振电感Lr为11.33μH;谐振电容Cr为1000pF/1000V的高压电容。
4 实验结果
实验结果通过一台两通道100MHz带宽Tek-tronicx 3012数字存储示波器观察并记录。实验波形采自电路在交流220V输入、额定输出时的工作状态。图2为主开关管漏-源两端的电压波形。图3为辅助开关管漏-源两端的电压波形。可以看出,由集成功率模块构成的ZVT PFC电路工作正常。开关关断时承受的反压为380V。辅助开关工作(导通)的时间在一个开关周期中占的比例很小,因此由它引入的损耗较小。
图4为主开关(CH1)和辅助开关(CH2)的开关时序波形。可以看出,辅助开关在主开关导通之前的一小段时间内率先导通,使主开关实现零电压开通。一旦主开关完成软开通,辅助开关就以硬开关的方式关断;随着续流二极管的截止,辅助开关和续流二极管均分负载电压,承受的电压值减半。
图5为PFC电路在交流220V输入时,输入电流波形和相应的频谱。电流采样元件为1∶1000倍磁平衡式电流霍尔传感器,外接采样电阻为300Ω,传感器的传输比为1A/300mV。由此可知此时输入电流的峰-峰值为14.67A,有效值约为5.2A。从相应的频谱分析可以看出1次、3次、5次…谐波的频谱。
利用HIOKI 3193型功率分析仪,可以较为准确地测定输入功率因数。功率分析仪的电流钳表量程为20A(AC),电压通道量程为600V(AC),包含测试钳表在内的整机满量程精度为0.1%。实测PFC电路的输入功率因数达0.99以上。
5 结 论
将PEBB技术应用于零电压转换软开关功率因数校正电路,研制了功率等级1kW的ZVT集成功率模块,利用该模块实现了单相PFC电路。通过采用软开关技术,减小了集成功率模块的开关损耗和噪声、降低了开关应力;通过对电路谐振参数的合理设计,既确保主开关工作在软开关方式,又控制辅助开关的损耗在最小范围内,使集成功率模块的整体损耗进一步降至最低。实测PFC电路的输入功率因数达0.99以上,获得良好的效果。
参考文献:
[1] Lee F C, Peng Dengming. Power Electronics BuildingBlock and System Integration[A].Power Electronics andMotion Control Conference,2000,proceedings[C],2000(1):1~8.
[2]杨 旭.新型软开关电路及大功率开关电源技术的研究[D].西安:西安交通大学电气工程学院[博士学位论文],1999.
[3]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京:电子工业出版社,2001.
