介绍了零电压开通和关断的工作原理，并通过计算机仿真和电路原型实验证明了该技术的优越性。ZVS绝缘栅双极晶体管电火花加工脉冲电源本文介绍了零电压开关IGBT的原理。这种技术的优点已被模拟和在一个简单电路上的实验所证实。关键词：零电压开关IGBT电火花暗示电源1概述脉冲电源是电火花加工设备的重要组成部分，其质量对工艺指标影响很大，也是产品升级换代的标志。MOSFET(场效应晶体管)因其优良的开关特性，在电火花加工脉冲电源中得到了广泛的应用。然而，在导通期间，MOSFET具有动态导通电阻，并且其导通压降也发生变化。而且MOSFET的通态损耗与电流有效值的平方成正比，随着通态电流的增加，这个损耗会影响处理效率。当电路中的电流超过单个功率MOSFET的电流能力时，可以通过并联多个MOSFET来实现。虽然MOSFET具有正的电阻温度系数，可以自均衡电流，但是当功率MOSFET本身的参数与电路参数不匹配时，仍然会导致器件并联应用时电流分布不均匀。IGBT是结合GTR(大功率晶体管)和MOSFET各自优点而发展起来的一种新型电力电子器件。由于电导调制，其载流量大大提高，适用于大功率电路。同时它的通态压降比较低，不受电流、电压等因素的影响，所以在高电压、大电流下比MOSFET更有优势。但是，当它关断时，会出现电流拖尾现象，关断损耗远大于MOSFET，从而限制了开关。2零电压开关模式的软开关技术通常我们把开关器件的工作模式分为硬开关模式和软开关模式。在硬切换模式下。存在以下缺陷，影响IGBT工作频率的提高。开通和关断损耗高：开通时，开关器件电流上升，同时电压下降；关闭时，电压上升，同时电流下降。电压和电流波形的重叠导致器件的导通和关断损耗随着开关频率的增加而增加。感性关断问题：电路中不可避免地存在感性元件。当开关器件关断时，由于通过电感元件的di/dt较大，在开关器件两端感应出较高的峰值电压，容易引起电压击穿(即冷击穿)。容性导通：当开关器件在高压下导通时，开关器件结电容中存储的能量会在开关器件中耗散，导致开关器件过热损坏(即热击穿)。克服上述缺陷的有效方法是采用软开关技术。理想的软开关过程是电压先降到零，然后电流慢慢上升到通态值，使通态损耗近似为零。此外，在器件开启之前，器件结电容上的电压已经下降到零，这也解决了容性导通状态的问题。理想的软开关过程是电流先降到零，然后电压慢慢上升到关态值，使关态损耗近似为零。因为设备关闭，所以设备关闭。零电压关断：关断命令在t1给出。当开关器件的电流从导通状态值下降到截止状态值时，端电压从导通状态值上升到截止状态值，并且开关器件进入截止状态。在t之前，开关器件的端电压必须保持在导通状态值(接近于零)。零电压开通：t时刻或之后给出开通命令，当开关器件的电流从关断状态值上升到导通状态值时，开关器件进入导通状态。在t2之前，开关器件的端电压必须下降到导通状态值(接近零)。并且它保持为零，直到电流上升到导通状态值。
图1软开关和硬开关的电流电压波形比较3零电压开关下IGBT的工作原理为了利用IGBT在高频下的低通态损耗特性，Freed。美国弗吉尼亚电力电子中心的C.Lee等。提出了一种MOSFET和IGBT的并联技术。该技术利用MOSFET的快速开关特性实现IGBT的软开关过程，开关的瞬态过程由MOSFET实现。IGBT在传导期起主导作用。当MOSFET先于IGBT导通，然后截止时，IGBT零电压开关，这样IGBT的开关损耗将大大降低。下面是IGBT和MOSFET并联技术的工作原理，如图2所示。图2并联技术工作原理及波形t0 ~ T 1: At T，V1和V2均被驱动。因为V1具有更高的开关速度，所以Is中的大部分电流首先流经V1，然后V2导通。由于V的导通压降很小，Is中的大部分电流在时间tr后流经V，这是V的软导通过程，并联器件在导通状态下的导通压降由V决定 t1~t2:在t1时，V1导通，V关断，I开始下降，I1上升。关闭一段时间后，I2变得很小，I1几乎上升到等于Is，V2。对我来说，因为V1开启，所以是零电压无损关断。 V1在t2关断，另一个开关周期在t3开始。为了提高脉冲电源的处理效率，降低V的关断损耗，V1的控制信号有一个关断延迟，在实际电路中应适当选取。4电路仿真和实验结果
>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。
