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减少不间断电源中逆变器的开关损耗

     随着作为不间断电源逆变器的可分离功率开关器件的进一步发展,脉冲逆变器开始被广为接受。这些逆变器可用于输出功率从100W到1MW级的范围。
    为了获得良好的动态特性,减小滤波元件的体积并降低其重量以及进一步降低噪音,逆变器的脉冲频率必须提高。但是开关频率受到开关损耗的限制,而开关损耗是随着负载电流和功率开关器件电压的升高而升高的。本文给出了减少不间断电源中逆变器的开关损耗的方法。

     硬开关和软开关晶体管逆变器的比较
    不同逆变器的功率损耗已被测出,我们将比较硬软开关功率部分的结果。逆变器直流链的电压是Ud=108V,名义上的输出功率是PAN=1.2kW。
     3.1 硬软开关MOSFET逆变器的分析
    现在在测量的基础上比较硬开关MOSFET和软开关MOSFET逆变器。功率阶段由两个逆变器管脚组成,就像直流侧的电容和交流输出侧的滤波器一样。每个开关由3个MOSFET并联组成,功率图的一个桥臂以50Hz的硬开关作用,而另一个桥臂受100Hz的脉冲调制。图8上部的硬开关逆变器,在受脉冲调制的桥臂上有一个缓冲电路,而在下部的软开关逆变器,这个桥臂确是按照辅助的谐振磁极反换相器的原理开关的。谐振电路的特征数据被设定成谐振频率f0=2MHz,阻抗Z0=5.4[2,5]。
    这两个逆变器中功率损耗的分配如图9所示。所有的损耗都随着输出功率的增加而上升。两个逆变器中在50Hz桥臂上的功率耗散基本上是相同的。它主要包括正向功率损失,各自情况如图中点划线下所示。硬开关MOSFET逆变器(图9上)损耗主要在100Hz桥臂上,而开关损耗是主要的。 名义上,输出功率开关损耗是正向功率损耗的四倍还多。包括其它一些没被考虑到的,开关损耗的大部分都被转移进了缓冲电路。
    运用软开关可以充分的降低100Hz桥臂的损耗(图9下)。名义上,输出功率的开关损耗比计算出的正向功率损耗低。附加的辅助开关上产生的损耗相对较小,且随着输出功率的增加而稍微增加,软开关MOSFET逆变器的其它损耗则相对较大。总的来说,这些额外的损耗都较小,所以大部分的损耗可以通过软开关而消除。
   3.2 硬软开关IGBT逆变器的分析
    现在,在测量的基础上比较硬软开关IGBT逆变器。功率图由两个逆变桥臂组成,就像直流侧的电容和交流输出侧的滤波器一样,每个开关由两个IGBT并联而成。    软开关逆变器和硬开关逆变器相比,正向功率损耗大约相等,但是在高功率的情况下,前者比后者的开关损耗小;而在小功率情况下,由于主开关中有谐振电流,软开关逆变器桥臂的开关损耗比硬开关逆变器的大。软开关逆变器中辅助开关的损耗小,也几乎不随功率的上升而增加,但是其它部分的损耗则稍微大些。
   4  结论
    本文分别互相比较了带MOSFET和IGBT的软开关逆变器和硬开关逆变器,直流链电压和额定输出功率在所有功率部分都是相同的。利用软开关MOSFET逆变器可以充分降低损耗,而软开关IGBT则只能达到对额定负载效率的极小改善。

    原因可以归结为许多不同情况。一方面,正向功率损耗MOSFET逆变器和IGBT逆变器都非常小。这样的结果是,利用IGBT逆变器,在开关元件中的谐振电流会引起固定的正向功率损耗。功耗图中顺便画出了各种情况下包含在开关损耗中的这样的损耗。更重要一点是,不间断电源中逆变器的脉冲频率通常较高。这样的结果是,为了减少逆变器在工作周期范围里所受的约束,谐振电流频率必须选得非常高。虽然这样可降低主开关在关断过程中的压降,但也会使IGBT像MOSFET那样产生更高的损耗,因为IGBT有尾续电流。
   比较来看,证明硬开关MOSFET和IGBT逆变器的效率都比较低,而软开关MOSFET和IGBT逆变器有更好的效率,虽然比起IGBT来,MOSFET逆变器的脉冲频率是其三倍

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