零电压开关下的IGBT在电火花加工脉冲电源中的应用研究
摘 要 介绍了零电压开并下的工作原理，通过对电路的计算机仿真和样机实验，证实了该项技术的优越性。
关键词 零电压开关 绝缘栅双极型晶体管 电火花加工 脉冲电源
Abstract:In this paper, principle of zero-voltage-switching IGBT is presented. The advantages of this technique have been proved by simulation and experiment on a sample circuit.
Key words:zero-voltage-switching IGBT EDM implusing power supply
1 概述
脉冲电源是电火花加工设备的重要组成部分，其品质对工艺指标的影响很大，而且是产品升级换代的标志。
MOSFET(场效应管)因其优良的开关特性，在电火花加工脉冲电源中获得了广泛的应用，然而，MOSFET在导通期间，存在动态导通电阻，其导通压降也是变化的，而且MOSFET的通态损耗与电流有效值平方成正比，着通态电流的增大，这种损耗将影响加工效率，当电路中电流超过单只功率MOSFET的电流容量时，可以通过多只MOSFET并联来实现，尽管MOSFET具备正电阻温度系数特性，可以自均流，但是在功率MOSFET自身参数及电路参数不匹配时，仍会导致器件并联应用时出现电流分配不均的问题。
IGBT作为一种新型电力电子器件，是综合GTR(大功率晶体管)和MOSFET各自的优点而发展起来的，由于电导调制作用，它的通流能力大大提高，适用于大功率电路，同时，它的通态压降比较低，受电流，电压等因素的影响不大，在高压大电流下比MOSFET更具优势，但是关断时存在电流拖尾现象，关断损耗远比MOSFET大，因而限制了开关频率的提高。
2 零电压开关方式的软开关技术
通常我们将开关器件的工作方式分为硬开关和软开关工作方式，在硬开关工作方式下。
由于存在以下缺陷，影响了IGBT工作频率的提高。
① 开通和关断损耗大：在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行，关断时，电压上升和电流下降同时进行，电压，电流波形的交叠致使器件的开通损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。
② 感性关断问题：电路中难免存在感性元件，当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di/dt很大，在开关器件两端感应出很高的尖峰电压，易造成电压击穿(即冷击穿)。
③ 容性开通问题：当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，引起开关器件过热损坏(即热击穿)。
克服以上缺陷的有效方法就是采用软开关技术，最理想的软开通过程是电压先下降到零，电流再缓慢上升到通态值，使其开通损耗近似为零，另外，因器件开通前电压已下降到零，器件结电容上的电压亦为零，也解决了容性开通问题，最理想的软关断过程是电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，使其关断损耗近似为零，由于器件关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，其感性关断问题得以解决。
零电压关断：关断命令在t1时刻给出，当开关器件电流从通态值下降到断态值后，端电压才从通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态，在t时刻以前，开关器件的端电压必须维持在通态值（接近于零）。
零电压开通：开通命令在t时刻或其后给出，当开关器件电流从断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态，在t2时刻以前，开关器件端电压必须下降到通态值(接近于零)。并且在电流上升到通态值以前维持在零。
软开关 硬开关
图1 软开关与硬开关电流、电压波形比较
3 零电压开关下IGBT的工作原理
为了利用IGBT在高频工作时的低通态损耗特性，美国弗吉尼亚电力电子中心Freed.C.Lee等提出了一种MOSFET和IGBT并联技术。
这项技术是利用MOSFET的快速开关特性来实现IGBT的软开关过程，由MOSFET来实现开关的瞬态过程，IGBT在导通期间起主导作用，当MOSFET先于IGBT开通而后于它关断时，IGBT的开关是在零电压下进行的，这样，IGBT的开关损耗将大大减小，下面是IGBT和MOSFET并联技术工作原理，如图2所示。
图2 并联技术工作原理及波形
① t0～t1:在t时刻，V1，V2都被驱动，由于V1开关速度更高，Is中大部分电流先流过V1,然后V2开通，由于V导通压降小，经过时间tr后，Is中大部分电流流过V，这就是V的软开通过程，并联器件在通态时的导通压降由V决定。
② t1～t2:在t1时刻，V1保持开通而V关断，I开始下降，I1上升，经过一段时间的关断，I2变得很小，I1几乎上升到等于Is,V2对而言，由于V1开通，是零电压无损耗关断。
③ 在t2时刻V1关断，等到t3时刻，另一个开关周期开始。
为了提高脉冲电源的加工效率，减少V的关断损耗，V1的控制信号有一关断延时τ,实际电路中这个参数应选取适当。
4 电路仿真及实验结果
目前的电火花加工脉冲电源，其功放部分主要采用功率MOSFET作为开关器件，如前所述，随着通态电流的增大，其总通态损耗将影响加工效率，由于IGBT这种新型电力电子器件是综合GTR和MOSFET各自的优点而发展起来的，通态电流可以得到提高，所以在电火花加工脉冲电源中拥有广阔的应用前景，但是，由于IGBT的开关频率受到限制，其优势并没有得到充分体现，尤其是在中，精加工中更制约了它的应用，因此，可以考虑采用MOSFET与IGBT并联技术，减小开关损耗，提高开关频率，为IGBT的实际应用奠定基础。
为了预测引用此技术产生的效果，选用了合适的元件模型用电路仿真软件PSPICE对电路进行了仿真，PSPICE针对MOSFET建立了静态和动态模型，可以通过调整其相应的参数来获得实际器件的相应模型，而对于IGBT模型，一般采用复合器件模型法来建立较为准确的模型，图3所示为开关器件中电流的仿真波形。
图3 I=20A时的电流仿真波形
图3自上而下依次为IGBT中电流与MOSFET中电流的波形，仿真中输入电压参数为90V。由于开关过程由MOSFET完成，所以在动态仿真时可以不考虑IGBT的开关行为。
此外，运用PSPICE计算仿真比较普通功率MOSFET与采用零开关技术的IGBT的通态损耗及开关损耗，采用两组器件模型进行对比，一组为4只功率MOSFET并联，另一组为功率MOSFET及IGBT各一只并联，可以看出随着输出电流越大，后者通态损耗及开关损耗明显减小，见图4。
图4 两种开关器件的通态损耗及开关损耗比较
图5 I=20A时MOSFET和IGBT中的电流波形
为了验证以上的仿真结果，进行了实验验证，图5为I=20A时开关器件的电流波形。
实验中采用MOSFET器件IRF250和IGBT(耐压1000V,额定电流60A)并联，虽然开关器件承受的电压为直流电压，但是，由于绕线电阻有漏感以及回路中引线电感的影响，?在开关器件关断瞬间会引起较大的反向尖峰电压，故而电路中仍需加工缓冲吸收电路，此外在开关器件的电压等级选择上须留有一定余量。
从图5中可以看出，MOSFET负责开关的开通和关断过程，IGBT主要在开关导通期间起作用，在MOSFET辅助IGBT软开关过程中，IGBT开关期间与之相并联的MOSFET总是导通的，这样IGBT的导通和关断都是在零电压条件下进行的，因而大大减小了IGBT的开关损耗，尤其是关断损耗，从而，可以很容易地提高IGBT的工作频率，图5中IGBT的工作频率为25kHz，实验中可以达到50kHz。
5 结论
采用零电压开关下IGBT的工作方式，运用于电火花加工脉冲电源中，较好地结合了MOSFET与IGBT各自的特点，提高了IGBT的工作频率，减小其开关损耗，使IGBT能在电火花加工脉冲电源中得到进一步应用。
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