Способ задания режимов коммутации силовых ключей при моделировании преобразователя комбинированной структуры с LCD-снабберными цепями

УДК 621.314

А.М. Афанасьев, Ю.М. Голембиовский

Способ задания режимов коммутации силовых ключей при моделировании преобразователя комбинированной структуры с LCD-снабберными цепями

Предложен способ задания режима коммутации ключей импульсных преобразователей с LCD-снабберами, основанный на использовании коэффициента снабберной цепи, что позволяет проводить анализ эффективности работы импульсных преобразователей от режима с «жесткой» коммутацией, до квазирезонансного режима с «мягкой» коммутацией. С использованием коэффициента снабберной цепи выполнен анализ влияния режима коммутации на мощность потерь в основных элементах преобразователя комбинированной структуры. Ключевые слова: преобразователь комбинированной структуры, IGBT, LCD-снаббер, «мягкая» коммутация. doi: 10.21293/1818-0442-2016-19-1-99-103

Основным требованием к источникам питания, входящим в состав электротехнологических комплексов с высокочастотными (ВЧ) установками индукционного нагрева, является повышение их энер-гоффективности. Применение современных ЮВТ-приборов при проектировании ВЧ-преобразовате-лей с выходной мощностью десятки-сотни киловатт в рамках классических схемных решений с «жесткой» коммутацией обеспечивает надежную работу на частотах до 20 кГц. Технологическая необходимость увеличения выходной частоты до сотен килогерц требует применения решений, обеспечивающих «мягкое» переключение с учетом особенностей включения и выключения конкретных IGBT-модулей [1, 2].

Полупроводниковый преобразователь комбинированной структуры

В работе [3] предложена концепция построения полупроводниковых преобразователей комбинированной структуры (ПКС) основанная на применении импульсных преобразователей (ИП) в качестве функциональных элементов инверторных структур (рис. 1).

Для реализации объединенной «мягкой» ком -мутации с переключением в нуле напряжения (ZVS) и переключением в нуле тока (ZCS) силовых ключей К1, К2 в ПКС (рис. 2) применяется параллельная емкостная компенсация индуктивности нагрузки.

При этом используется адаптивный к изменению параметров нагрузки алгоритм согласованного управления с синхронизацией по выходному напряжению и время-импульсной модуляцией ИП.

'Ьс2' 1

Рис. 2. Временные диаграммы работы преобразователя комбинированной структуры

Эффективность работы ИП в предложенном преобразователе комбинированной структуры будет определяться как режимами протекания тока накопительной индуктивности [4], так и режимами переключения. Режим «мягкой» коммутации силовых ключей в ИП1,2 обеспечивается за счет прерывных токов накопительных индуктивностей (Ь1 и Ь2 соответственно), при которых включение IGBT происходит при нулевом токе в ZCS-режиме. Формирование траектории выключения IGBT с использованием LCD-снабберов обеспечивает «мягкое» выключение IGBT в ZVS-режиме. Так, для обеспечения «мягкого» выключения транзисторов УТ1 и УТ3 применены LCD-снабберы, построенные, соответственно, на элементах СсЬ УДц, УОс12, Ьс1 и Сс2, УОс2Ь УА2.2, Ьс2.

На потери проводимости и коммутационные потери силовых ключей ИП значительное влияние оказывает соотношение параметров накопительной индуктивности и снабберных цепей. Так, на потери

проводимости оказывает влияние форма тока, протекающего через силовой ключ, которая в зависимости от соотношения тока накопительной индуктивности и тока снабберной цепи может изменяться от формы, близкой к треугольной к форме, близкой к синусоидальной (рис. 3, а, кривые 1—3).

4 5

Время, мкс

Ток коллектора, 1к Напряжение коллектор-эмиттер, U„ a

щ 100

§ 0,1 а

° 0,01

0

б

4 5

Время, мкс

Рис. 3. Влияние соотношения параметров накопительной индуктивности и снабберных цепей на напряжение и ток (а) и мощность потерь (б) силовых ключей ИП

Что касается коммутационных потерь, то благодаря ограничению скорости нарастания напряжения с увеличением емкости снабберного конденсатора Сс (см. рис. 3, а, кривые 4-6) можно снизить динамические потери мощности выключения (рис. 3, б). При этом, накопленная энергия в конденсаторе Cс, регенерируется в нагрузку, что необходимо учитывать при расчете параметров схемы, и выборе полупроводниковых приборов.

Схема замещения преобразователя комбинированной структуры

Принимая все элементы схемы идеальными и с учетом, что процессы, протекающие при работе каждой диагонали моста ПКС, идентичны, составлена схема замещения ПКС (рис. 4). При значениях добротности колебательного контура Q = 6...20, образованного индуктором и параллельно включенным конденсатором, нагрузка может быть представлена в виде параллельного соединения источника ЭДС переменного тока Квых, напряжение которого зависит от баланса передаваемой и потребляемой энергии и приведенного сопротивления нагрузки Л'н.

Ó

\ VD \Ivd

LCD-снаббер

Ce VDcU Le

\ VDc,

V™

R'h

o

Относительное время А1

А = —

1 0,5-Тк

где ТК - период выходного напряжения.

Относительное время А2 отдачи накопленной энергии накопительной индуктивности Ь определяется выражением (2):

D2 =-

0,5- Тк

Относительное время А3 (3) накопления энергии в элементах снабберной цепи Сс, Ьс определяет вторую составляющую входного тока (см. рис. 2, ток

'Ьс2)

0,5-Тс

D-3 =-

0,5 Тк

где Тс = 2к^Ьс -Сс - период колебательного контура, образованного элементами снабберной цепи. Среднее значение первой составляющей входно-

го тока I

bxL ср*

I

вхЬср '

Ucc-{lM

8-/к - Ь

где М = ивых т/исс - коэффициент преобразования.

Среднее значение второй составляющей входного тока /вхЬс ср определяется выражением (5):

I

вх Lci

Ucc D3

^ - Pc -

где pc =tJLc/Cc - волновое сопротивление снабберной цепи.

Уравнение балланса мощностей (6), в котором учтены все параметры, оказывающие влияние на энергетические и массогабаритные показатели ПКС, получено при условии, что все элементы схемы идеальны:

M-

2-с - /К - L

( D ,

-

D3

4-/К -L C-Pc

M 2

2-Qh-Ph

Рис. 4. Схема замещения ПКС

где Qн, рн - параметры нагрузки; Ь - значение накопительной индуктивности; /к - частота коммутации.

Задание режима коммутации силовых ключей импульсного преобразователя со снаббером

Режим коммутации силовых ключей ИП с применением снабберных цепей зависит от скорости нарастания напряжения на ключах (7):

йП / Ж = Сс -1к

1

2

3

I.

L

В случае применения LCD-снаббера задание режима коммутации возможно за счет изменения параметров снабберной емкости. При этом ее изменение оказывает влияние на параметры колебательного контура, образованного индуктивностью и емкостью LCD-снаббера, такие как волновое сопротивление рс и период колебаний Тс, что, в свою очередь, приводит к цепочке изменений других параметров схемы и существенно усложняет проведение анализа исследуемого преобразователя. Также на скорость нарастания напряжения влияет амплитудное значение тока накопительной индуктивности.

В данной работе предлагается для изменения режима коммутации силового ключа использовать коэффициент снабберной цепи Ксц (8), который определяется отношением полупериода колебательного контура LCD-снаббера к длительности импульса:

0,5 Т _ Оз

"_ ОТ

Ксц —

Использование коэффициента снабберной цепи позволяет с учетом выходной частоты одновременно задавать параметры индуктивности и емкости снабберных цепей при фиксированном значении волнового сопротивления. С учетом того, что выходной ток ИП с LCD-снаббером определяется суммой токов снабберной и накопительной индуктив-ностей, введение условия постоянства входного тока позволяет при изменении коэффициента снабберной цепи Ксц изменять соотношение их средних значений, а следовательно, и амплитудное значение тока накопительной индуктивности. Таким образом, изменение коэффициента снабберной цепи Ксц позволяет проводить анализ работы ИП с LCD-снаббером от режима с «жесткой» коммутацией (Ксц = 0) до квазирезонансного режима работы ИП с «мягкой» коммутацией силовых ключей (Ксц = 1).

Из выражения (9) определяется волновое сопротивление снабберной цепи, соответствующее квазирезонансному режиму коммутации (Ксц = 1):

Рс _

2 -ис,

п-1 в

1 +

М•

п-О •Кс

где /вх - заданное значение входного тока.

Из выражений (10), (11) с учетом значений Тс и рс определяются параметры элементов снабберной цепи:

Ьс _Тс-Рс/2п ,

Сс _Ьс/Р2.

Определение мощности потерь в основных элементах схемы

При определении аналитических выражений, описывающих статические ВАХ транзисторов и диодов, применен метод кусочно-линейной аппроксимации [4]. Из выражения (12) можно определить мощность потерь проводимости в транзисторе УТ1 (диоде УО1):

РУТст _

где икэ0 - начальное напряжение транзистора (диода) при 1к = 0; гУТдиф - дифференциальное сопротивление транзистора (диода); /кср - среднее значение тока транзистора (диода); 1кд - действующее значение тока транзистора (диода).

Из выражинй (13) и (14) определяются соответственно среднее и среднеквадратическое значение тока транзистора

1кср _

где 1ьт _2KRL(0,5• 1ВХ - 11ст • О • Ксц •п-1) - амплитудное значение тока накопительной индуктивности; К- коэффициент пульсации тока накопительной индуктивности, для режима прерывных токов Кщ, >1 [4]; ¡Ьст _(исс - ивых) /Рс - амплитудное значение тока снабберной индуктивности.

4д _ 1Ьт VО1/6 +

О • Ксц 81П

V 4 8п

Из выражений (15)-(18) определяются соответственно средние и действующие значения токов обратного УБ и снабберных диодов УБЛ (УОс2):

1УОсср _0,5• 1Ьт • D2,

1УОсд _1Ьт 'VО2/6 ,

I

I

Ьс т

УОсср :

- Оз.

1 _ 1 О • Ксц Sln

1УОсд _ 1Ьст\-------.

V 4 8 •п

Мощность потерь переключения за период коммутации определяется из выражения (19):

Рдин _/к •

Зависимости энергий включения Евкл= F(Iк) и выключения Евыкл = F(IL т) IGBT в результате аппроксимаций справочных характеристик [4] описываются аналитическими выражениями

—вкл _ KRз • Кивкл

—выкл _ KRз • Кивыкл

„ икэ вкл „ икэ выкл „ где Кивкл _—-, Кивыкл _—-, KRз - масш-

ип

и с

' сс ном ^ сс ном

табирующие коэффициенты, учитывающие зависимость энергий переключения от коммутирующего напряжения и сопротивления затвора; икэ вкл, икэ выкл - напряжение на транзисторе, соответствующее моментам включения и выключения; исс ном - номинальное напряжение коммутации.

Напряжение на транзисторе, соответствующее моменту выключения, с учетом значения снаббер-ной емкости, определяется выражением

икэвыкл _ 1Ьт • 'выкл /Сс ,

где /выкл - время выключения транзистора.

71

Ток, соответствующий моменту включения транзистора 1к вкл, определяется из выражения (23):

вкл?

7квкл = ILc m -Sin (2 • ^ - ) ,

где 4кл - время включения транзистора.

Оценка энергетических показателей накопительных, снабберных индуктивностей и снабберных конденсаторов проводится с использованием методики [5], в соответствии с которой общая мощность потерь в индуктивности определяется из выражения

Pl = Рм + Роб1 + Роб2 :

где Рм - мощность потерь в магнитопроводе; Роб1, Роб2 - мощность потерь в медной обмотке, соответственно от переменной и постоянной составляющей тока.

При оценке потерь мощности в конденсаторах (25) учитывается, что они состоят из диэлектрических PD и резистивных PR потерь:

Рс = Pd + PR .

При математическом моделировании были приняты следующие исходные данные: коэффициент преобразования М = 0,75; относительное время проводимости транзистора D1 = 0,5; коэффициент пульсаций тока накопительной индуктивности KRL = 1; мощность нагрузки Рвых = 40 кВт; частота коммутации f = 100 кГц; напряжение питания исс = 515 В. В качестве ключевых элементов был выбран модуль SKM200GAR125D фирмы Semikron. Для определения мощности потерь магнитопровода использовались характеристики материала Kool Мц фирмы Magnetics с магнитной проницаемостью ц = 26. Для определения потерь катушки использовались параметры литцендрата фирмы New England Wire. Для определения мощности потерь снаббер-ных конденсаторов использовались параметры конденсаторов серии B32656S7684 фирмы EPCOS. Обсуждение результатов моделирования Как можно видеть из зависимостей относительных потерь в IGBT-модуле от коэффициента Ксц (рис. 5), изменение режима коммутации влияет как на потери включения, так и на потери выключения.

8х10-г

н о с

¡а

о о и

а

о

6х10-

4х10-

2х10-'

0

0 0,2

0,4 0,6 0,8 1

Коэффициент снабберной цепи, Ксц Рис. 5. Зависимость относительной мощности потерь в ЮБТ-модуле от коэффициента снабберной цепи

При этом в диапазоне Ксц = 0,05.0,2 наблюдается существенное уменьшение суммарных потерь в ЮБТ-модуле за счет потерь включения. Участок Ксц = 0,2.0,8 характеризуется снижением суммарных потерь в основном за счет снижения потерь выключения. На участке Ксц = 0,8.1 снижение потерь замедляется, т. к. суммарные потери в основном определяются потерями включения, которые остаются неизменными.

Изменение относительных потерь в пассивных элементах ПКС с увеличением коэффициента Ксц (рис. 6) характеризуется уменьшением потерь в накопительной индуктивности и увеличением потерь в снабберной индуктивности и емкости. Общие потери в пассивных элементах за счет потерь в снаббер-ных цепях возрастают.

8х10-

С &

и

а

о

S §

и

»Q

ц

IS о

6х10-

Относительная мощность потерь в накопительной индуктивности

0

Относительная суммарная мощность потерь в пассивных элементах ПКС I

4х10 3 \ И

-г'

Относительная

мощность потерь в

2х10-3 снабберной индук-

тивности

Относительная мощность потерь в снабберной емк2ости

\

0

0,2

0,4 0,6 0,8 1

Коэффициент снабберной цепи, Ксц Рис. 6. Зависимость относительной мощности потерь пассивных элементов от коэффициента снабберной цепи

Суммарная относительная мощность потерь обратного VD и снабберных диодов VDd ,VDo2

0,4 0,6 0,8 1

Коэффициент снабберной цепи, Ксц

Рис. 7. Зависимость относительной мощности потерь обратного и снабберных диодов от коэффициента снабберной цепи

Суммарная относительная мощность потерь обратного и снабберных диодов (рис. 7) на участке

Ксц = 0,05...0,5 уменьшается за счет более интенсивного уменьшения потерь обратного диода. На участке Ксц = 0,5.1 суммарные потери диодов увеличиваются за счет более интенсивного увеличения потерь в снабберных диодах.

Для оценки влияния режима коммутации на эффективность работы ПКС в целом построены зависимости, учитывающие общие потери во всех основных элементах схемы (рис. 8), анализ которых позволяет сделать вывод, что для принятых условий моделирования общие потери, в основном, определяются потерями ЮБТ-модуля. Потери в пассивных элементах и диодах ПКС несущественно влияют на характер изменения общих потерь.

8x10

6x10

4x10"

и

a

о S 3

и 2x10

Суммарная относительная мощность потерь в основных элементах ПКС

Суммарная относительная мощность потерь в ЮБТ модуле

Относительная мощность потерь в пассивных элементах

0,4 0,6

Коэффициент снабберной цепи, Ксц Рис. 8. Зависимость относительной мощности потерь активных и пассивных элементов от коэффициента снабберной цепи

Заключение

Предложенный способ задания режима коммутации ключей в схемах ИП с ЬСБ-снабберами с применением коэффициента снабберной цепи Ксц позволяет проводить анализ эффективности работы схем от режима с «жесткой» коммутацией (Ксц = 0) до квазирезонансного режима с «мягкой» коммутацией (Ксц = 1).

Проведенный анализ работы ПКС при изменении режима коммутации показал, что для принятых условий моделирования увеличение коэффициента Ксц от 0,05 до 0,8 позволяет приблизительно в 8 раз уменьшить относительную мощность потерь ЮБТ-модуля. При этом относительная суммарная мощность потерь ПКС за счет увеличения мощности потерь в пассивных элементах схемы уменьшается приблизительно в 4 раза.

Полученные результаты позволяют предварительно оценить мощность потерь в основных элементах схемы для разных режимов коммутации и определить параметры для их выбора, что может быть полезно для инженерного проектирования.

Литература

1. Тихомиров И.С. Адаптивный алгоритм самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения для установок индукционного нагрева / И.С. Тихомиров, A.C. Васильев, Д.А. Патанов // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2008. - № 8. - С. 262-267.

2. Земан С.К. Кодово-импульсный способ регулирования технологического параметра преобразователя частоты установки индукционного нагрева / С.К. Земан, О.Е. Сандырев // Изв. ТПУ - 2007. - Т. 310, № 1.-С. 191-196.

3. Афанасьев А.М. Улучшение энергетических характеристик параллельного резонансного инвертора / А.М. Афанасьев // Техшчна електродинамжа. - 2012. -№ 3. - С. 63-64.

4. Afanasyev O.M. Method for determining energy losses in switched-mode converter power switches depending on storage inductor current modes / O.M. Afanasyev, A.A. Shcherba // XXXIII International Scientific Conf. «Electronics and Nanotechnology». - Ukraine, Kyiv, 2013. -P. 339-343.

5. Афанасьев A.M. Определение энергетических и массогабаритных показателей пассивных элементов импульсных преобразователей / A.M. Афанасьев, А.В. Еремина // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2013. - № 5. - С. 13-19.

Афанасьев Александр Михайлович

Соискатель каф. системотехники

Саратовского гос. технического ун-та им. Ю.А. Гагарина

Тел.: +38 (095) 512-59-41

Эл. почта: alexandr.afanasyev@gmail.com

Голембиовский Юрий Мичиславович

Д-р техн. наук,

профессор каф. системотехники (СТ) СГТУ Тел.: +7 (845-2) 99-88-43 Эл. почта: yrmg_37@mail.ru

Afanasyev A.M., Golembiovsky Y.M. Method to set a switching mode for power switches when modeling the converter with combined structure and LCD-snubber circuits

The article presents a method to set a switching mode for power switches applied in the pulse converters with LCD-snubbers which uses the snubber circuit factor, that allows to analyze the efficiency of switching converters operation, from the mode with «hard» switching to the quasi-resonant mode with a «soft» switching. The analysis of the switching mode effect on the losses of power in the core elements of converter with combined structure is performed using the snubber circuit factor.

Keywords: converter with combined structure, IGBT, LCD-snubber, «soft» switching.