mosfet和igbt并联软开关技术的仿真研究

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1、MOSFET和IGBT并联软开关技术的仿真研究何凯王永北京航空航天大学(北京100083)摘要：本文讨论了MOSFET和IGBT并联工作的软开关技术，通过仿真研究了这种技术在有源箝位正激式电路中的应用特性，验证了该技术的优越性。关键词：并联软开关有源箝位仿真1橱述在高频功率电子变换中，MOSFET因其高速的开关特性获得了广泛的应用，但它存在导通期间有相对较大的导通电阻的缺点，因此，在大电流场合下，导通损耗将变得相当可观。解决这一问题可以通过多只功率MOSFET并联来实现，这样做的缺点是成本太高。而且，虽然MOSFET本身的特性具有自动均流的特点，但MOSFET

2、自身及其电路参数都很难达到完全的匹配，所以器件并联应用时还是会有不均流问题。IGBT具有双极型晶体管和MOSFET的优点，它的通流能力大大优于MOSFET，功率容量大。同时，它的通态压降比较低，且受电流、电压等因素的影响较小，因此，在高压大电流场合。它比MOSFET更具吸引力，但是由于存在关断电流拖尾现象，关断损耗远比MOSFET大．限制了开关频率的提高。为了在高频情况下利用IGBT的导通损耗低这一特点，美国弗吉尼亚电力电子中心的Freed．C．Lee等提出了MOSFET和IGBT并联技术⋯，笔者将这一技术应用于有源箝位正激式DC—DC变换器的仿真研究中，在仿

3、真试验中MOSFET和IGBT实现了软开通、关断，降低了开关管上的开关损耗，提高了功率管的开关频率和系统的效率。2IGBT和MOSFET软开关在单端正激有源箝位电路的实现IGBT和MOSFET并联软开关技术中，IGBT的软开关是利用MOSFET的快速开关特性来实现的：MOSFET负担开通关断瞬间的电流，而IGBT在导通期间起主导的导通作用。MOSFET比IGBT先开通后关断，IGBT的开通、关断在MOSFET的开通期间完成，即IGBT实现了零电压开通、关断，这样IGBT的开关损耗就大大减小。MOSFET和IGBT并联工作的示意图如图1所示。(图1中sl为MOS

4、FET，S2为IGBT)图l并联工作的原理图MOSFET和IGBT并联工作原理分析如下：(波形见图1)T0～T1：TO时刻，s1和s2同时被加上驱动信号，由于s1开关速度快，Is大部分从s1上流过，当S2也导通时，由于它的导通压降小于S1，此时大部分电流流过S2，Is2近似等于Is，两管的导通压降被S2箝位。由于S2在Sl开通之后开通，S2实现了零电压开通。T1～T2：T1时刻s2关断，S1仍保持开通，rs2开始下降，Isl开始上升，在T2时刻，I。：趋于零，IsI上升到Is．由于s2是在s1导通时关断，S2实现了零电压关断。T2～T3：T2时刻，s1关断，由

5、于S1输出电容的箝位作用，使其实现零电压关断。在T3时刻之前，S1和s2都处于关断状态。T3时刻新的周期开始。为验证这种并联技术的可行性，笔者将其应用于有源箝位正激式功率变换电路中，并进行了仿真计算，仿真电路如图2所示。(图2中s1为主功率MOSFET,s2为IGBT,Sc为箝位MOSFET)图2采用并联技术的有源箝位正激式电路lr。．1l；l●7

6、‰+口}、●。fl‰l』卜l'-L／＼／＼／、，甲图3主要电量波形有源箝位正激式电路工作原理分析”I：(波形见图3)t0～t。：to时刻S1和s2同时被加上开通信号，变压器原边电流线性增加，副边二极管D1开通、D2

7、关断，s2在t．时刻之前关断，S2在S1开通期间开通、关断，实现了S2的软开关，等效电路如图4(a1所示。tl～t：：t。时刻主功率管S1在其输出电容C1的作用下软关断。之后，在副边反射电流和励磁电流的作用下，C1充电，箝位管sc输出电容C2放电，副边二极管仍然保持D1导通、D2关断状态，等效电路如图4(b)所示。t2～t，：在时刻t2，Vc。等于V'm，变压器原边电压为零，原边励磁电流达到最大值I。，这时变压器副边二极管Dl关断、D2导通，c1继续被充电，等效电路如图4(c)所示。t3～t4：在时刻t，，vcI等于Vm+Vc，Se的体内反并联二极管导通，此后

8、励磁电流通过此二极管对Cc充电，励磁电流线性减小，在此期间sc开通，由于其体内发反并联二极管导通，sc两端电压为零，sc实现了的零电压开通，等效电路如图4(d)所示。t4～ts：t4时刻励磁电流降为零，Cc的电压达到最大值v'm+v叶△vc，之后Cc通过sc放电，励磁电流反相增加，磁心工作在第三象限，、0继续被箝位在Vin+Vc，等效电路同图4(d)。tsar6：ts时刻Sc在其输出电容c2的作用下软关断，励磁电感与C1谐振，vc，开始下降，等效电路如图4(e)所示。t6～t7：t6时刻、，cl下降到Vin，变压器原边电压上升为零，励磁电流达到负向最大值。之后

9、，副边二极管D2关断、Dl导通，励磁电