CC BY
32
УДК 621.382.026 ББК З852.3
О.А. ДАНИЛОВ, АЛ. ИВАНОВ, С.А. ИЛЬИН, В.М. НИКИТИН, АН. СЕМЕНОВ, Л. А. СЕМЕНОВ, А.В. ШЕПЕЛИН
СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ПОЛУМОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНОЙ СХЕМЕ
Ключевые слова: полумост из транзисторов с антипараллельными диодами, переключение жесткое и при нулевом напряжении, электромагнитная совместимость, реактивные согласующие элементы, квазирезонансный режим переключения.
В статье рассмотрен один из способов уменьшения динамических потерь при переключении силовых транзисторов в полумостовой схеме, а также алгоритм и схемная реализация, позволяющие выполнять переход из одного устойчивого состояния полумоста в другое в квазирезонансном режиме - с использованием реактивных согласующих элементов. Этим обеспечиваются комфортные условия переключения как для выключаемого, так и для включаемого транзистора, что повышает надежность и КПД преобразователя, снижает его массу и габариты. Приведены результаты работы усовершенствованной схемы, реализованной на транзисторных модулях собственной разработки, установленных в электроприводе. Частота ШИМ 33 кГц, мощность управляемого синхронного двигателя 150 кВт.
Полумост (ПМ) из двух транзисторов с антипараллельными диодами в виде конструктивного модуля широко используется в схемах полупроводниковых преобразователей (рис. 1). С его помощью наиболее просто реализуется режим чередования потенциала выхода ПМ (БС+ или БС-) и регулирования (в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ)) среднего напряжения на выходе преобразователей.
Управление состоянием ключей полумоста обеспечивается с помощью драйверов, при этом находят применение два способа коммутации: «жесткой» и при нулевом напряжении на полупроводниковом ключе. При «жесткой» коммутации запирание открытого и затем отпирание закрытого транзисторов ПМ сопровождаются интервалами времени, в течение которых одновременно через транзистор течет ток нагрузки и (или) сквозной ток восстановления диода и (какое-то время) сохраняется напряжение на переходе эмиттер/коллектор или сток/исток, примерно равное разности потенциалов У_БС (рис. 1). Другими словами, в пм ВС+
моменты каждого такого переключения транзисторы ПМ кратковременно оказываются в линейном режиме вследствие неидеальности переключательных свойств. Такие повторяющиеся с двойной частотой ШИМ всплески мощности выделяются в виде тепла на транзисторе и называются «динамическими» потерями. С ростом частоты ШИМ они становятся значительными, приводя к дополнительному и существенному нагреву модуля, а значит, и к необходимости увеличения размеров охладителя.
Выход
О
DC-
Рис. 1. ПМ из двух транзисторов с антипараллельными диодами
Другим недостатком «жесткого» переключения являются большие производные напряжений на ключах и токов ключей. Этот факт в сочетании с наличием паразитных индуктивностей конструкции тоководов приводит к возникновению опасных для полупроводников всплескам напряжения с последующим их долгим затуханием. Соответственно, это приводит к наличию сильного электромагнитного излучения, ухудшению электромагнитной совместимости изделия. В конечном итоге все сказанное становится причиной снижения надежности изделия в целом [3].
Существуют способы, позволяющие если не полностью, то в значительной мере уменьшить недостатки, присущие схемам, с «жестким» переключением транзисторов. Наиболее распространенным способом борьбы со всплесками напряжения является искусственное затягивание переключения транзисторов, например, путем простого увеличения последовательного сопротивления в цепи затвора в расчете на эффект Миллера. Однако получаемые улучшения сопровождаются ростом тепловых потерь, что на больших частотах ШИМ недопустимо.
Принципиально иным является способ переключения при нулевом напряжении (ZVS - Zero Voltage Switching).
Наиболее простой случай характеризуется наличием значительного внешнего тока транзисторов ПМ, который надо разорвать. Требование коммутации при нулевом напряжении при этом обеспечивается путем простого подсоединения параллельно транзистору ПМ конденсатора: он перехватывает на себя ток транзистора ПМ, не позволяя значительно подняться напряжению на время спада тока транзистора ПМ. Соответственно, незначительным становится выделение импульсной мощности потерь. Далее под действием внешнего тока напряжение плавно нарастает уже на закрытом транзисторе ПМ и доходит до противоположного уровня DC, обеспечивая включение противоположного транзистора ПМ при нулевом напряжении. Затем внешний ток меняется на противоположный, обеспечивая вышеописанный процесс в обратном направлении.
Подобный режим характерен для схем, известных в литературе как автономные инверторы тока. Пример такой схемы - DC/DC преобразователь -показан на рис. 2, а [1]. Конденсаторы CH и CL шунтируют транзисторы ПМ, обеспечивая выключение последних при нулевом напряжении (рис. 2, б). При этом конденсаторы 9-12 обеспечивают восстановление диодов 5-8 выпрямителя 4 также при нулевом напряжении (рис. 2, б).
Более сложным оказывается случай, когда внешний ток после переключения сохраняет направление.
В режиме «жесткого» переключения в этом случае имеют место сквозные токи, определяемые процессом «рассасывания» носителей зарядов в структуре восстанавливающегося диода.
В режиме коммутации при нулевом напряжении на одном из двух интервалов ШИМ возникает необходимость в «перетягивании» тока из антипараллельного диода открытого транзистора во вспомогательную цепь. Это услож-
няет переключение и требует установки дополнительного устройства (ДУ) или по-другому - устройства обнуления напряжения. Поскольку такая ситуация складывается и с другим направлением тока, то ДУ должно быть ещё и двунаправленным или содержать две разнонаправленные цепи. Например, в преобразователях синусоидальной формы выходного напряжения (в электроприводах) частота смены тока составляет всего лишь десятки или даже единицы Гц, а частота ШИМ - несколько кГц или более, т.е. несколько тысяч периодов ШИМ внешний ток течет в одном направлении, а потом такое же количество - в обратном.
Рис. 2. DC/DC преобразователь: а - принципиальная схема; б - графики токов и напряжений элементов схемы
Одним из вариантов ДУ является подключение средней точки ПМ через дроссель к источнику напряжения (энергетическому буферу УБУФ+) с помощью ключа на время проведения процесса переключения - рис. 3, а и б [2].
Рис. 3. Принцип работы дополнительного устройства: а - принципиальная схема; б - осциллограммы токов и напряжений элементов схемы
Из представленных на рис. 3, б осциллограмм видно, что для всех полупроводников в составе ключей ПМ (включая диоды) произведение тока на напряжение (мощность, выделяемая на ключе в виде тепла) значительно меньше аналогичной величины для «жесткого» переключения, где пиковая мощность часто достигает предельной величины (Кос • /ПИК). Другими словами, в режиме переключения при нулевом напряжении предельные ток и напряжение «разнесены» во времени.
Необходимо отметить, что и величина значительно снижена по
сравнению с аналогом в режиме «жесткого» переключения. Это обеспечивает лучшую внешнюю электромагнитную совместимость преобразователя, практически устраняет «выбросы» напряжения на выходе ПМ и уменьшает внутренние наводки на собственные элементы схемы.
Частным случаем реализации вышеописанного способа переключения при нулевом напряжении является схема, представленная на рис. 4 [4, 5]. В качестве буферного элемента (источника) выступает автотрансформатор.
Однако схема на рис. 4 имеет недостатки в виде насыщения автотрансформатора при работе в крайних режимах ШИМ, а также в виде увеличенного напряжения до двойного напряжения DC на силовом диоде ДУ.
В АО «ЧЭАЗ» разработан и реализован на практике более надежный вариант обсуждаемой схемы без указанных недостатков. В качестве иллюстрации на рис. 5 представлены осциллограммы работы одного из фазных ПМ электропривода с синхронным двигателем мощностью 150 кВт, работающего на частоте 33 кГц.
Рис. 5. Осциллограммы работы наиболее экономичного варианта дополнительного устройства в составе полумостов электропривода мощностью 150 кВт
Выходной ток 1ВЫХ в момент регистрации составил 450А. Пиковый ток !_ь_цУ дросселя ДУ достиг 1100 А. V_VT V_VD - напряжения на транзисторном и диодном концах автотрансформатора, соответственно. Напряжение в звене постоянного тока трёхфазного инвертора при этом было 630 В. Видно, что нет удвоенного напряжения DC (V_VD) на силовом диоде ДУ.
Цена делений: 100 нс, 300А и 200 В.
Отсутствие колебаний («дребезга») на фронте выходного напряжения ^_ВЫХ (на средней точке ПМ) свидетельствует об удовлетворительной топологии размещения чипов и соединительных шин внутри корпуса модуля с точки зрения минимизации паразитных индуктивностей элементов конструкции.
Преобразователь выполнен на полумостовых модулях собственной разработки на основе запатентованной топологии. В качестве ключей применены чипы SiC-транзисторов СРМ212000025В (1200 В, 25 мОм) фирмы Cree. Модули изготовлены на предприятии ОАО «НПО «Энергомодуль».
Управление скоростью электродвигателя - бездатчиковое, с коэффициентом мощности, равным единице (наиболее экономичный режим и для двигателя).
Значительными достижениями способа следует считать:
- возможность использования высокой частоты ШИМ (33 кГц);
- высокое качество выходного синусоидального напряжения (спектр гармоник сместился в зону частот 33 кГц и выше);
- уменьшенные габариты радиаторов и синусных фильтров;
- высокий КПД;
- низкие значения шума.
Полученные результаты поставили на повестку дня вопрос о необходимости разработки низкоиндуктивных модулей и новых конструкций для преобразователей, позволяющих работать на частотах в десятки и сотни кГц.
Литература
1. Пат. 2354033 РФ, (51) МПК H02M 3/335 (2006.01). (Квази-)резонансный преобразователь постоянного напряжения с пониженными коммутационными потерями / А.Л. Иванов, Ан.В. Шепелин. № 2008105089/09; заявл. 11.02.2008 г.; опубл. 27.04.2009 г., Бюл. № 12.
2. Пат. 2307441 РФ, (51) МПК H02M 1/16 (2006.01). Способ снижения динамических потерь в преобразователях электроэнергии / Ан.В. Шепелин, А.Л. Иванов, Ал.В. Шепелин. № 2006100572/09; заявл. 10.01.2006 г.; опубл. 27.09.2007 г., Бюл. № 27.
3. Югай В.В. Исследование инверторов в мультирезонансном режиме при мягких коммутациях транзисторов. 5D 071900: дис. ... д-ра философии (PhD). Алматы, 2015.
4. Reichl J., Lai J., Hefner A., Ortiz-Rodriguez J.M., Duong T. Design Optimization of HybridSwitch Soft-Switching Inverters Using Multiscale Electrothermal Simulation. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, vol. 32, no. 1, pp. 503-514.
5. Wensong Yu, Jih-Sheng Lai, Sung-Yeul Park. An Improved Zero-Voltage-Switching Inverter Using Two Coupled Magnetics In One Resonant Pole. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, vol. 25, pp. 952-961. DOI: 10.1109/TPEL.2009.2030197.
ДАНИЛОВ ОЛЕГ АНАТОЛЬЕВИЧ - ведущий инженер-конструктор отдела электропривода и преобразовательной техники, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (cheaz@cheaz.ru).
ИВАНОВ АНАТОЛИИ ЛЕОНИДОВИЧ - главный специалист отдела электропривода и преобразовательной техники, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (cheaz@cheaz.ru).
ИЛЬИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - инженер-конструктор 2-й категории отдела электропривода и преобразовательной техники, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (cheaz@cheaz. ги).
НИКИТИН ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ - кандидат технических наук, заместитель начальника отдела электропривода и преобразовательной техники, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (cheaz@cheaz.ru).
СЕМЕНОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ - ведущий инженер-конструктор отдела электропривода и преобразовательной техники, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (cheaz@cheaz.ru).
СЕМЕНОВ ЛЕВ АНАНЬЕВИЧ - инженер-конструктор 2-й категории отдела электропривода и преобразовательной техники, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (cheaz@cheaz.ru).
ШЕПЕЛИН АНДРЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ - кандидат физико-математических наук, главный специалист отдела электропривода и преобразовательной техники, АО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (cheaz@cheaz.ru).
O. DANILOV, A. IVANOV, S. ILYIN, V. NIKITIN, A. SEMENOV, L. SEMENOV, A. SHEPELIN
METHOD FOR REDUCING DYNAMIC LOSSES IN THE HALF-BRIDGE SCHEME
Key words: half-bridge of transistors with antiparallel diodes, rigid switching and at zero voltage, electromagnetic compatibility, reactive matching elements, quasi-resonant switching mode.
The article considers one of the ways to reduce dynamic losses when switching power transistors in a half-bridge circuit, as well as an algorithm and a circuit implementation that allows performing the transition from one stable state of the half-bridge to another in a quasi-resonant mode using reactive matching elements. This ensures comfortable switching conditions for both switched-off and switched-on transistors, which increases reliability and efficiency, and reduces mass and dimensions. The article presents the results of experimental testing of an improved circuit implemented using transistor modules of the author's own design installed in the electric drive. The switching frequency is 33 kHz, the power of controlled synchronous motor is 150 kW.
References
1. Ivanov, A.L., Shepelin An.V. (Kvazi-)rezonansnyipreobrazovatel'postoyannogo napryazhe-niya s ponizhennymi kommutatsionnymi poteryami [(Quasi-)resonant permanent voltage converter with reduced switching losses]. Patent RF, no. 2354033, 2009.
2. Shepelin An.V., Ivanov, A.L., Shepelin Al.V. Sposob snizheniya dinamicheskikh poter' v preobrazovatelyakh elektroenergii [How to reduce dynamic losses in electricity converters]. Patent RF, no. 2307441, 2007.
3. Yugai V.V. Issledovanie invertorov v mul'tirezonansnom rezhime pri myagkikh kommu-tatsiyakh tranzistorov. 5D 071900: dis. ... d-ra filosofii (PhD) [Study of inverters in multi-resonance mode with soft switching transistors. 5D 071900. PhD Diss.]. Almaty, 2015.
4. Reichl J., Lai J., Hefner A., Ortiz-Rodriguez J.M., Duong T. Design Optimization of HybridSwitch Soft-Switching Inverters Using Multiscale Electrothermal Simulation. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, vol. 32, no. 1, pp. 503-514.
5. Wensong Yu, Jih-Sheng Lai, Sung-Yeul Park. An Improved Zero-Voltage-Switching Inverter Using Two Coupled Magnetics In One Resonant Pole. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, vol. 25, pp. 952-961. DOI: 10.1109/TPEL.2009.2030197.
DANILOV OLEG - Leading Design Engineer, Department of Electric Drives and Converting Technology, CHEAZ Group, Russia, Cheboksary (cheaz@cheaz.ru).
IVANOV ANATOLIY - Chief Specialist, Department of Electric Drives and Converting Technology, CHEAZ Group, Russia, Cheboksary (cheaz@cheaz.ru).
ILYIN SERGEY - Design Engineer of the 2nd Category, Department of Electric Drives and Converting Technology, CHEAZ Group, Russia, Cheboksary (cheaz@cheaz.ru).
NIKITIN VLADIMIR - Candidate of Technical Sciences, Deputy Head, Department of Electric Drives and Converting Technology, CHEAZ Group, Russia, Cheboksary (cheaz@cheaz. ru).
SEMENOV ANDREY - Leading Design Engineer, Department of Electric Drives and Converting Technology, CHEAZ Group, Russia, Cheboksary (cheaz@cheaz.ru).
SEMENOV LEV - Design Engineer of the 2nd Category, Department of Electric Drives and Converting Technology, CHEAZ Group, Russia, Cheboksary (cheaz@cheaz.ru).
SHEPELIN ANDREY - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Chief Specialist Design Engineer of the 2nd Category, Department of Electric Drives and Converting Technology, CHEAZ Group, Russia, Cheboksary (cheaz@cheaz.ru).
Формат цитирования: Данилов О.А., Иванов А.Л., Ильин С.А., Никитин В.М., Семенов А.Н., Семенов Л.А., Шепелин А.В. Способ снижения динамических потерь в полумостовой транзисторной схеме // Вестник Чувашского университета. - 2020. - № 1. - С. 89-96.
