高压功率器件的开关技术

摘要:简单介绍了功率器件的硬开关和软开关的基本原理。软开关主要介绍了两种基本类型零电压开启(Zero voltage switching)和零电流关断(Zero current switching)。当然软开关技术还包括其他种类。此两类开关方式的原理集中体现在通过LC振荡电路的引入,实现在功率器件两端达到零电压或零电流的目的,从而减小开关损耗。

高压功率器件的开关技术简单的包括硬开关技术和软开关技术:

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如图所示,典型的硬开关过程中,电压和电流的变化虽然存在时间差,而且开关过程无法做到绝对的零延迟开关,此过程势必导致开关损耗。

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所谓的软开关包括零电压开启(Zero voltage switching)即在器件处于关断状态时,通过额外的LC振荡电路支路,转移器件上的电压,以实现零电压开启。

另一种为零电流关断(Zero current switching)即在器件处于开启状态时,通过额外的LC振荡电路支路,转移器件上的电流,以实现零电流关断。

高压功率器件常用的场合是用来控制传输送到电感负载的功率,如应用于电机驱动,电力电机,高压直流传输等,因此在对器件进行测试时往往是加入一个大电感作为负载。

硬开启

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如图,测试电路采用典型的电感负载测试电路,L在实际应用中可为大的电感。

在硬开启过程中,$I_L$ 基本不变,在DUT的关断稳态时,$I_L$=$I_{D1}$,$V_{DUT}$≈$V_{IN}$,DUT开启瞬间,$I_{DUT}$=$I_L$-$I_{D1}$,$V_{DUT}$ ≈ $V_{IN}$,随着DUT的开启,$I_{DUT}$逐渐增大,$I_{D1}$减小为负(反向恢复),直到D1反偏之前,$I_{DUT}$=$I_L$+$I_{D1}$,$V_{DUT}$≈$V_{IN}$,当DUT完全开启后D1承受外界电压。

此时$V_{D1}$=$V_{IN}$,$I_{DUT}$=$I_L$,$I_{D1}$=0,$V_{DUT}$远小于$V_{IN}$,DUT上的电压只有正向导通电压。

此过程即为典型的硬开启过程,由于电压和电流拥有同时存在的区间,导致了相对大的开启损耗Eon,如图中虚线所示区间。

硬关断

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如图,在DUT开启稳态时,$I_L$=$I_{DUT}$,$V_{DUT}$<$V_{IN}$,$I_{D1}$=0。在DUT关断瞬间,$I_L$=$I_{DUT}$,$V_{DUT}$增大直到超过$V_{IN}$,$I_{DUT}$继续减小,同时$I_{D1}$增加,在这个过程中,$I_L$=$I_{D1}$+$I_{DUT}$,$V_{DUT}$≈$V_{IN}$,最终$I_L$=$I_{D1}$,$I_{DUT}$=0,$V_{DUT}$≈$V_{IN}$。

此过程即为典型的硬关断过程,由于电压和电流拥有同时存在的区间,导致了相对大的关断损耗Eoff,如图中虚线所示区间。

软开关的基本思想

了解软开关的过程,首先应该对LC振荡电路有所熟悉:
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如图所示,电容能量$E_C$=$1/2CU^2$,电感能量为$E_L$=$1/2LI^2$。一旦开关S闭合,电感和电容之间的能量就会相互转移,同时满足:
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电压和电流的变化属于正余弦变化方式,其周期,存在某个时间点,电容两端电压为0,能量全部储存在电感中。存在另一个时间点,电感两端电流为0,能量全部储存在电容中。
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如图,S代表功率器件,在零电压开启过程前,S处于关断稳态,Cr与Lr互相震荡传输能量。

当Cr上的电压为0时,将功率器件S开启。在零电流关断前,S处于导通稳态,Cr与Lr互相震荡传输能量,当Lr上的电流为0时,将功率器件S关断。

零电流关断的另一种基本方式为负载电感L的全部电流被Lr与Cr组成的振荡电路吸收时,流过功率器件S的电流为0,此时将S关断,同样也可以达到减小关断损耗的目的。

软开启

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如图,为典型的软开启电路,软开启过程可分为几个阶段。

  • t0之前,S和DUT都在关断状态,电流在电感L和二极管D1之间传递。
  • t0-t1阶段,开关S闭合,电流逐步转移到Lr上。
  • t1时刻,$I_{Lr}$=$I_L$,$I_{D1}$=0,电流全部转移到Lr上。
  • t1-t2阶段,Cr与Lr之间进行LC震荡,DUT两端电压等于Cr两端电压,随着LC的震荡,$V_{DUT}$呈正弦式下降,$I_{Lr}$呈余弦式上升,>在t2时刻$V_{DUT}$降为0,$I_{Lr}$上升到最大值。
  • t2-t3阶段,由于存在钳位二极管D3,$V_{DUT}$两端电压钳位在-0.7V,电感Lr电流也处于一个平台电流阶段。
  • t3时刻开启DUT,同时关闭开关S,电流逐渐向DUT转移,直到t4时刻电流全部转移到DUT。

整个的软开启过程中,可以通过控制DUT栅极电压在t2时刻进行开启,来达到DUT零电压的开启,从而减小开启损耗。

软关断

如图,为典型的软关断电路,软关断可以分为几个阶段。
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  • t0之前,S处于关断状态,DUT处于导通状态,电流全部经过电感L和DUT,$I_L$=$I_{DUT}$。
  • t0时刻将开关S闭合,S所在支路阻抗远小于DUT所在支路,Lr和Cr之间发生LC震荡,$I_{Lr}$电流逐渐上升,$I_{DUT}$电流逐渐下降。
  • t1时刻,$I_{DUT}$=0,控制DUT栅极电压将DUT关断,DUT关断之后,$V_{DUT}$电压逐渐上升至$V_{IN}$,$I_{Lr}$电流呈正弦式下降,同时$I_L$电流逐步转向续流二极管D1。

整个的软关断过程中,可以通过控制DUT栅极电压在t1时刻进行开启,来达到DUT零电流的关断,从而减小关断损耗。

软开关与硬开关器件功耗对比

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如图为采用零电压开启和零电流关断的功率器件与采用硬开关方式的开关损耗对比情况。软开启能够大幅降低功率器件的开启损耗,少量降低关断损耗。

软关断能够大幅降低功率器件的关断损耗,不能降低开启损耗。采用软开启的总功耗为硬开关的41 ~ 43%,采用软关断总功耗约为硬开关的76 ~ 79%

最后修改:2019 年 09 月 21 日 06 : 11 PM
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