專利名稱：大輸出功率高頻諧振負(fù)載逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于提供增加的輸出功率的大功率、高頻諧振負(fù)載逆變器系統(tǒng)。
由于要求的電壓值(在DC環(huán)節(jié)約為700V)的原因，在這樣的應(yīng)用中沒有直接使用MOSFET。MOSFET內(nèi)部的二極管不能被用作換流二極管，因?yàn)榱鬟^這個(gè)二極管的電流建立了可能接通寄生BJT的條件。由互補(bǔ)MOSFET的接通所引起的在反向?qū)щ奙OSFET上急劇的電壓上升，導(dǎo)致了在此情況下破壞性的故障。通過仔細(xì)監(jiān)視轉(zhuǎn)換器就可以避免不必要的MOSFET接通，但是完全可靠的解決方案只有與MOSFET漏極串聯(lián)的二極管和外部換流二極管。后一種方法比較昂貴。
IGBT一類器件沒有內(nèi)部二極管。這是因?yàn)樘峁┘姌O漂移區(qū)電導(dǎo)率調(diào)制的結(jié)起串聯(lián)二極管的作用。結(jié)果可以選擇良好的外部換流二極管而不需要任何串聯(lián)二極管。IGBT是一種廣泛應(yīng)用的器件，是大量生產(chǎn)出來的。與所述電壓值和功率范圍在10kW-15kW的MOSFET相比是廉價(jià)的元件。如果MOSFET應(yīng)用中需要串聯(lián)的二極管，那么，MOSFET器件和IGBT器件之間在成本上的差別就更大。即使由于在75kHz-500kHz范圍的較高開關(guān)頻率范圍內(nèi)而需要IGBT嚴(yán)重降低定額值，IGBT解決方案也比MOSFET解決方案可能更有吸引力?；旧险怯捎诔杀痉矫娴脑驑?gòu)成了開發(fā)基于IGBT解決方案的動(dòng)力。
還有這樣一種事實(shí)，在MOSFET芯片之間的參數(shù)分布遠(yuǎn)大于例如在NPT IGBT芯片之間的參數(shù)分布，這使得IGBT芯片比較容易并聯(lián)。在帶有大規(guī)模并聯(lián)的大型MOSFET逆變器中，在關(guān)斷期間電流分配還是一個(gè)問題。
在這些高頻上IGBT典型的問題是必須實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)重降低額定值。因此本發(fā)明的目的就是要提供一種新的控制原理使這樣的降低額定值實(shí)質(zhì)上變得不嚴(yán)重，使IGBT解決方案在成本和體積上具有更大的競爭力。
因此，依據(jù)本發(fā)明開發(fā)了一種IGBT用在具有串聯(lián)諧振負(fù)載的高頻(75KHz-500kHz)大功率(10kW-5MW)逆變器中時(shí)的新控制策略，一種一般地用在感應(yīng)加熱中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該策略將IGBT應(yīng)變(strain)元件變?yōu)楦m合IGBT特性和內(nèi)在特性的總應(yīng)力(stress)圖。這使IGBT運(yùn)行得更加有效，從而同標(biāo)準(zhǔn)控制方案相比，大大增加逆變器的最大輸出功率。這使基于IGBT的逆變器同MOSFET逆變器即這類應(yīng)用中現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)相比，成為更為廉價(jià)的替換品。而且，本發(fā)明提供了一種更為有效的使IGBT去應(yīng)力的方法，使它們能夠處理在這種高頻下的損耗。
依據(jù)本發(fā)明，該系統(tǒng)包括再被分成各個(gè)部件的逆變器器件，每個(gè)部件包括兩組電流開關(guān)，每組具有串聯(lián)連接的兩個(gè)IGBT(絕緣門極雙極性晶體管)開關(guān)裝置，每組在所述裝置的中點(diǎn)上有一個(gè)輸出，用于為具有LC諧振補(bǔ)償?shù)墓β守?fù)載上的一個(gè)相應(yīng)的輸入端饋電，以及控制每組的每個(gè)IGBT開關(guān)裝置的主驅(qū)動(dòng)器電路。
依據(jù)本系統(tǒng)的一個(gè)特征，一個(gè)功率變換器連接在所述輸出和所述輸入端之間。
適合地，通過將所述主驅(qū)動(dòng)器單元輸出的驅(qū)動(dòng)器信號每次提供給一個(gè)部件，逆變器器件以一個(gè)比LC諧振頻率更低的降低的開關(guān)頻率運(yùn)行。從而使開關(guān)頻率變?yōu)樗鲋C振頻率的1/n，n是部件數(shù)量。
合適地，所述LC諧振補(bǔ)償是LC串聯(lián)諧振補(bǔ)償，并且所述部件在這種情況下具有一個(gè)DC電壓功率源。可選擇地，所述LC諧振補(bǔ)償是LC并聯(lián)諧振補(bǔ)償，所述部件在這樣的情況下具有DC電流功率源。
在另一實(shí)施例中，所述的逆變器器件通過將所述主驅(qū)動(dòng)器單元輸出的驅(qū)動(dòng)器信號同時(shí)提供給所有部件以使所有部件僅在一個(gè)循環(huán)的開關(guān)頻率期間傳遞電流輸出，以低于LC諧振頻率的降低的開關(guān)頻率運(yùn)行，從而使所有部件以所述諧振頻率的1/n來傳遞電流輸出，n是部件數(shù)量。在這種情況下，從所有部件輸出的電流加起來在所述LC串聯(lián)諧振補(bǔ)償輸出負(fù)載上產(chǎn)生振蕩，因此，以所述速率向所述LC串聯(lián)諧振補(bǔ)償負(fù)載提供連續(xù)正弦輸出電流、功率，并且因此以1/n速率提供脈沖整形的輸出電壓。
合適地，逆變器器件提供的運(yùn)行頻率在75kHz-500kHz范圍，而輸出功率在10kW-5MW范圍。
所定義的和在如下說明中將進(jìn)一步說明的，以及在權(quán)利要求中所定義的系統(tǒng)，適合于例如運(yùn)行在感應(yīng)加熱或接觸焊接操作器件的電感性負(fù)載中。
應(yīng)該注意到在IGBT一類的上下文中的術(shù)語“開關(guān)裝置”可能是一個(gè)單獨(dú)的IGBT，如在附圖非限制例子所表示那樣，也可能是至少兩個(gè)IGBT并聯(lián)。
下面將參考附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明，表示本發(fā)明系統(tǒng)非限制例子。
圖1a表示逆變器測試電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1b表示其相關(guān)波形。
圖2a表示類型為Eupec FF200R12KS4(稱為FF200)的IGBT的關(guān)斷、接通和導(dǎo)通損耗測量，圖2b表示具體的損耗[mJ/A]。電流是在接通狀態(tài)下的峰值電流。導(dǎo)通損耗是在300kHz時(shí)的每個(gè)循環(huán)導(dǎo)通能量損耗。
圖3表示再分為多個(gè)部件的串聯(lián)補(bǔ)償逆變器的電氣連接，其中降低定額值是通過降低有效開關(guān)頻率而不是降低電流密度而實(shí)現(xiàn)的。
圖4表示再分為多個(gè)部件的串聯(lián)補(bǔ)償逆變器的電流和電壓波形，其中降低定額值通過降低有效開關(guān)頻率而不是降低電流密度而實(shí)現(xiàn)的。
圖5a、5b和5c表示類型為Eupec FF200的IGBT的數(shù)據(jù)，即對于不同數(shù)量電流部件分別為IGBT電流值、每個(gè)H橋的輸出功率和每個(gè)IGBT的功率損耗。
圖6是再分為多個(gè)部件的并聯(lián)補(bǔ)償逆變器的例子，其中降低定額值通過降低有效開關(guān)頻率而不是降低電流密度而實(shí)現(xiàn)的。
圖7表示使用四個(gè)部件的電流和電壓波形。
圖8是關(guān)于再一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例是再分成多個(gè)部件的串聯(lián)補(bǔ)償逆變器，其中降低定額值通過降低有效開關(guān)頻率而不是降低電流密度而實(shí)現(xiàn)的。
為了理解新控制策略，必須研究對于這種應(yīng)用的IGBT中的損耗圖。在這樣的高頻下，關(guān)斷損耗是主要的，并且非常大。在正常電流值上，該器件將會(huì)因過熱而很快被損壞，所以必須執(zhí)行去應(yīng)力。簡單的電流下降將使逆變器可靠，但是電流值會(huì)變得非常低。這樣，該器件看起來就不會(huì)很合適。
因而，需要考慮IGBT的特性。關(guān)斷損耗測量表示這些損耗不隨電流線性變化，如圖2所示。在較低電流值上關(guān)斷損耗與電流比率同在較高的電流值相比是比較大的。這表示僅僅降低IGBT電流值是實(shí)現(xiàn)去應(yīng)力的較差方式。同較高電流時(shí)可達(dá)到的相比，關(guān)斷效率非常差。這種新控制策略保證了有效的高電流關(guān)斷，但仍能給出希望的IGBT損耗值。這是通過讓輸出電流在逆變器中不同部件A-D之間循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的，見圖3a、3b和4。
圖3和圖4所示的順序控制方法與串聯(lián)補(bǔ)償逆變器相關(guān)。圖3表示了電氣連接。應(yīng)該注意到圖3a表示在部件輸出和串聯(lián)補(bǔ)償負(fù)載之間具有一個(gè)變壓器的實(shí)施例。但是，可以不需變壓器，如圖3所表示的那樣。圖4表示電流和電壓波形。電氣連接本身不一定引入新東西，傳統(tǒng)逆變器總是具有相同的接線。不同之處在于主驅(qū)動(dòng)器電路中，其中逆變器再分為不同時(shí)切換的各個(gè)部件，但是遵從圖4所示的模式。
通過這種切換模式，實(shí)現(xiàn)了通過降低的開關(guān)頻率而不是減小電流的去應(yīng)力。圖4表示IGBT開關(guān)頻率比諧振頻率低多少。一個(gè)部件傳導(dǎo)整個(gè)輸出電流，但是減少了無電流階段。無電流階段的數(shù)量等于部件的數(shù)量減1。對于在圖3上表示的和在圖4中表示代表的四個(gè)部件，部件A-D具有三個(gè)無電流周期。減少的開關(guān)應(yīng)力使IGBT在比如果IGBT在每個(gè)周期都切換的情況，如在每個(gè)循環(huán)中分配相等電流的標(biāo)準(zhǔn)并聯(lián)運(yùn)行中，要在更高的電流值下運(yùn)行。IGBT的高電流運(yùn)行保證了最有效地關(guān)斷，或者準(zhǔn)確地說，最小關(guān)斷損耗與電流的比率。這就提高了晶體管的效率，并且對于給定IGBT損耗值，輸出功率增加了。圖5表示對于不同部件數(shù)量而言增強(qiáng)的最大功率輸出。該圖的依據(jù)是圖2中的測量。
該器件適當(dāng)使用為更高開關(guān)速度而設(shè)計(jì)的來自Infinion Technologies的新一代NPT(非擊穿)IGBT。但是，使用PT(擊穿)IGBT一類的逆變器通過引入新穎的控制策略，將表現(xiàn)出可比擬的輸出功率增加。
傳統(tǒng)的逆變器是一種僅帶有一個(gè)部件并且所有IGBT在這個(gè)部件中并聯(lián)的逆變器。當(dāng)使用多于一個(gè)部件時(shí)，在每個(gè)部件中幾個(gè)IGBT的并聯(lián)連接是一種實(shí)現(xiàn)希望輸出功率的方式。另一種可能是一種模塊系統(tǒng)，其中每個(gè)模塊是一個(gè)完全的系統(tǒng)，如圖3所示。
還沒有討論的一種效果是無源IGBT將起電容性緩沖器的作用，并減少IGBT的關(guān)斷，因此在電感性切換過程中具有進(jìn)一步的優(yōu)勢。這種效果沒有包含在圖5中。但是，在電容性切換過程中，當(dāng)IGBT接通確定電壓升高時(shí)，電容性緩沖器增強(qiáng)了損耗，這是一個(gè)缺點(diǎn)。但是，電容性切換僅出現(xiàn)在負(fù)載急劇過渡期間，象在負(fù)載短路瞬間的開始時(shí)那樣。
到現(xiàn)在為止的所有


了串聯(lián)補(bǔ)償逆變器。但是，這種控制策略還可以用在并聯(lián)補(bǔ)償逆變器上，其為電流饋電型。如圖6所示。象圖7所表示的那樣，電流塊是矩形的并且輸出電壓是正弦的，但是原理是等同的，益處是可比擬的。應(yīng)該注意到圖6表示了在部件輸出和并聯(lián)補(bǔ)償負(fù)載之間具有變壓器的實(shí)施例。但是，可能不用變壓器，如圖6b表示的那樣。
這個(gè)原理的一個(gè)有趣的副作用是使用部件之間不同時(shí)序可能實(shí)現(xiàn)非常有效的負(fù)載阻抗匹配，如圖8所示。對于串聯(lián)補(bǔ)償逆變器這是可能的。負(fù)載阻抗匹配是感應(yīng)加熱的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
在圖4中，每個(gè)部件每四個(gè)周期承載電流。逆變器每個(gè)周期切換，并且逆變器的輸出電流在四個(gè)部件之間循環(huán)。圖8給出了安排切換模式的另一種方式。這里，所有四個(gè)部件在相同的周期中導(dǎo)通電流，逆變器輸出僅僅每四個(gè)周期切換。在這些切換之間，負(fù)載電流將發(fā)生振蕩，到負(fù)載的功率由在振蕩LC電路中存儲(chǔ)的能量供給。(負(fù)載在圖4中用可變電阻器表示。)在這個(gè)時(shí)間間隔中，負(fù)載電流將減少，如圖8所示的那樣。當(dāng)遞變器輸出切換時(shí)，DC環(huán)節(jié)向負(fù)載傳遞功率，并且還加強(qiáng)了振蕩LC電路中存儲(chǔ)的能量。因而LC電路有效地起到了能量存儲(chǔ)裝置的作用。
在圖4中，輸出電壓被定義成等于1，而輸出電流等于1。因此，等于1的功率被傳遞到等于1的負(fù)載阻抗中。在圖8中，其中所有四個(gè)部件在相同周期中承載電流，輸出電壓等于1/4，而輸出電流等于4。因此，等于1的功率被傳遞到等于1/16的負(fù)載阻抗中。根據(jù)被使用部件的數(shù)量，可以是不同的切換模式。四個(gè)部件可以是三種模式，其中兩種在這里說明。第三種可能性是讓兩個(gè)部件同時(shí)承載電流，供應(yīng)等于1/4的阻抗。
值得注意的是，依據(jù)圖4和圖8的開關(guān)損耗將是相同的，因?yàn)檫@些部件承載相同的電流。差別出現(xiàn)在無源周期中。在圖4的情況下，輸出將切換，但是IGBT將不承載電流。在圖8中，輸出將不切換，IGBT將恒定接通或關(guān)斷。電流將在較低或較高的IGBT中循環(huán)。這將在圖8的控制方案中引起額外的導(dǎo)通損耗，同圖4的情況相比導(dǎo)致在某種程度上較大的總體損耗。為了將這些損耗降低到希望值，同時(shí)使用圖8中的切換模式，電流因此還有最大輸出功率必須稍微偏小些。
結(jié)論是在帶有四個(gè)部件A-D的圖4和圖8的情況下，相同的逆變器能夠傳遞(近似)相同的功率給由因素16來區(qū)分的負(fù)載阻抗。在部件共享逆變器中，可以用較寬范圍的負(fù)載阻抗，而逆變器傳遞接近額定的輸出功率。同其它的控制原理或策略相比，這是很有優(yōu)勢的，其中，在半導(dǎo)體器件中的電流必然與負(fù)載阻抗降落成比例地增加，以便傳遞恒定的輸出功率。這種效果的結(jié)果在MOSFET逆變器中是嚴(yán)重的，其中由RDS，on引起的損耗是主要的。
參考圖8，將注意到，同圖4所示的情況相比，部件之間的時(shí)序是不同的，這將使得逆變器用僅僅稍微高的損耗向更小的負(fù)載阻抗1/16傳遞相同的功率。
當(dāng)IGBT切換更少時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率就減少了。在這些頻率上大量并聯(lián)連接時(shí)，驅(qū)動(dòng)功率令人吃驚地大，并且使用四部件A-D降低到1/4是方便的特性。另一個(gè)積極的特性，是在并聯(lián)模塊和芯片之間分配的電流在部件共享的逆變器中不會(huì)引起什么問題。其主要原因是電流值，因而導(dǎo)電電壓降落將增加，這將使電流分配穩(wěn)定。另外，很少芯片將分配這個(gè)電流，并且它們將更離得更近。此外還有使用IGBT芯片(NPT-類型)，其不象MOSFET芯片那樣存在參數(shù)分布。
從而，本發(fā)明提供了一種IGBT用在高頻應(yīng)用中的新控制策略，其中，為了處理開關(guān)損耗，必須執(zhí)行IGBT去應(yīng)力。該略策除了其它事情之外，導(dǎo)致下述益處降低的IGBT損耗；較少的IGBT芯片分配負(fù)載電流；有效的阻抗匹配特性；由標(biāo)準(zhǔn)的IGBT模塊代替昂貴的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的MOSFET模塊；對高頻和低頻應(yīng)用可能使用相似技術(shù)。
這種創(chuàng)造性的新控制策略的實(shí)施將會(huì)使在大功率高頻率產(chǎn)品范圍的產(chǎn)品有很大改善。本發(fā)明還大大超過下述缺點(diǎn)增加驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性；同MOSFET逆變器相比稍微降低效率；使用標(biāo)準(zhǔn)的IGBT模塊暗含比本發(fā)明應(yīng)用需要更多的換流二極管，額外的換流二極管是電容性切換過程中的缺點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于提供增加的輸出功率的大功率高頻諧振負(fù)載逆變器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)再分成各個(gè)部件的逆變器器件，每個(gè)部件包括兩組電流開關(guān)，每組具有兩個(gè)串聯(lián)連接的IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)開關(guān)裝置，每組在所述裝置之間的中點(diǎn)上具有一個(gè)輸出，用于在具有LC諧振補(bǔ)償?shù)墓β守?fù)載上提供一個(gè)相應(yīng)的輸入端，以及一個(gè)用于控制每組的每個(gè)IGBT開關(guān)裝置的主驅(qū)動(dòng)器電路，所述逆變器器件，通過每次向一個(gè)部件提供所述主驅(qū)動(dòng)器單元輸出的驅(qū)動(dòng)器信號，以低于LC諧振頻率的降低的開關(guān)頻率運(yùn)行，從而使開關(guān)頻率變成所述諧振頻率的1/n，n是部件數(shù)量。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中一個(gè)功率變換器連接在所述輸出和所述輸入端之間。
3.如權(quán)利要求1，2或3所述的系統(tǒng)，其中所述LC諧振補(bǔ)償是一種LC串聯(lián)諧振補(bǔ)償，并且其中所述部件具有DC電壓電源。
4.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述LC諧振補(bǔ)償是一種LC并聯(lián)諧振補(bǔ)償，且其中所述部件具有DC電流電源。
5.依據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中的系統(tǒng)傳遞一個(gè)連續(xù)正弦輸出電流和連續(xù)脈沖輸出電壓。
6.依據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中的系統(tǒng)傳遞一個(gè)連續(xù)脈沖輸出電流和連續(xù)正弦輸出電壓。
7.所權(quán)利要求5或6所述的系統(tǒng)，其中所述輸出電流和所述輸出電壓至少基本上同相。
8.一種用于提供增加的輸出功率的大功率高頻諧振負(fù)載逆變器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)再分成各個(gè)部件的逆變器器件，每個(gè)部件包括兩組電流開關(guān)，每組具有兩個(gè)串聯(lián)連接的IGBT(絕緣柵極雙極型晶體管)開關(guān)裝置，每組在所述裝置之間的中點(diǎn)上具有一個(gè)輸出，用于在具有LC諧振補(bǔ)償?shù)墓β守?fù)載上提供一個(gè)相應(yīng)的輸入端，以及一個(gè)用于控制每組的每個(gè)IGBT開關(guān)裝置的主驅(qū)動(dòng)器電路，所述的逆變器器件，通過將所述主驅(qū)動(dòng)器單元輸出的驅(qū)動(dòng)器信號同時(shí)提供給所有部件以使所有部件僅在開關(guān)頻率的一個(gè)循環(huán)期間傳遞電流輸出，以低于LC諧振頻率的降低的開關(guān)頻率運(yùn)行，從而使所有部件以所述諧振頻率的1/n來傳遞電流輸出，n是部件數(shù)量。
9.依據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中從所有部件輸出的電流被加起來，引起在所述LC串聯(lián)諧振補(bǔ)償輸出負(fù)載中的振蕩，從而引起一個(gè)連續(xù)正弦輸出電流，功率以所述速率被提供給所述LC串聯(lián)諧振補(bǔ)償負(fù)載，從而以1/n的速率提供脈沖輸出電壓。
10.如權(quán)利要求1-9任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中逆變器器件在75kHz-500kHz范圍提供一個(gè)操作頻率。
11.如權(quán)利要求1-10任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中逆變器裝置在10kW-5MW范圍提供一個(gè)輸出功率。
12.如權(quán)利要求1-11任何一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)用于運(yùn)行在感應(yīng)加熱或接觸焊接操作器件中的電感性負(fù)載。
全文摘要
一種將IGBT用在高頻(75kHz－500kHz)大功率(10kW－5MW)并帶有串聯(lián)諧振負(fù)載的逆變器中的新控制策略，一種一般地使用在感應(yīng)加熱中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該策略將IGBT的應(yīng)變要素變?yōu)楦m合IGBT特性和內(nèi)在特性的總應(yīng)變圖。與標(biāo)準(zhǔn)的控制方案相比，這樣會(huì)使IGBT操作更加有效，從而大大增加逆變器的最大輸出功率。這使基于IGBT的逆變器同MOSFET逆變器即這類應(yīng)用中現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)相比，成為更為廉價(jià)的替換品。
文檔編號H02M7/493GK1466810SQ01816483
公開日2004年1月7日 申請日期2001年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月29日
發(fā)明者F·克萊維蘭德, F 克萊維蘭德 申請人:Efd感應(yīng)股份有限公司