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通用型IGBT變頻電源的研制過程[圖]

摘要： 目前,，一些設(shè)備仍沿用傳統(tǒng)的400Hz 變頻機組供電，具有笨重,、效率低,、噪聲大,，動態(tài)品質(zhì)差、輸出波形差等缺點,。用靜止變頻電源取代它是發(fā)展的必然趨勢,。早期的晶閘管靜止變頻電源雖然克服了變頻機組的許多缺點，但晶閘管的關(guān)斷依賴負載或附加的關(guān)斷電路,，控制復雜,，動態(tài)性能不理想，在技術(shù)性能上很難有新的突破,。本文提出的變頻電源,，從根本上克服了上述弊端，是一種性能優(yōu)良的靜止變頻電源,。

關(guān)鍵詞： 變頻|逆變電源變頻器逆變 IGBT

Abstract：

Key words :

1 引言

目前,，一些設(shè)備仍沿用傳統(tǒng)的400Hz 變頻機組供電，具有笨重,、效率低,、噪聲大，動態(tài)品質(zhì)差,、輸出波形差等缺點,。用靜止變頻電源取代它是發(fā)展的必然趨勢。早期的晶閘管靜止變頻電源雖然克服了變頻機組的許多缺點,，但晶閘管的關(guān)斷依賴負載或附加的關(guān)斷電路,，控制復雜，動態(tài)性能不理想,，在技術(shù)性能上很難有新的突破,。本文提出的變頻電源，從根本上克服了上述弊端,，是一種性能優(yōu)良的靜止變頻電源,。

2 主電路和系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2. 1 變頻電源的主電路結(jié)構(gòu)

主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。J S 為軟啟動控制,，避免上電時浪涌電流對整流模塊的沖擊,。

通用型<a class= IGBT變頻電源的研制過程" src="http://files.chinaaet.com/images/20110609/0371c08b-20fa-4b5e-97e4-e6a56dc93e33.jpg" />

采用工業(yè)上比較流行的SPWM 控制策略。由于載波頻率的高頻化,，SPWM 脈沖波的第一組諧波中心向高頻端遷移,，距基波頻率甚遠，如圖2 所示,。這就使得輸出濾波網(wǎng)絡(luò)得以小型輕量化,，動態(tài)品質(zhì)也得以改善。

通用型IGBT變頻電源的研制過程

輸出濾波網(wǎng)絡(luò)采用常K型兩元件低通濾波器[5 ] 。濾波元件L ,、C 的參數(shù)按下式選?。?/p>

L = R/ (πf c) (1)

C = 1/ (πf c R) (2)

式中　f c ———通帶的高截止頻率　R ———濾波器的特性阻抗

2. 2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。電流環(huán)作為輸出電壓控制環(huán)的輔助環(huán),，能成功地限制逆變器的輸出電流,，以防止逆變器過載，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,。

通用型IGBT變頻電源的研制過程

圖中　Uge ———電壓給定　Upc ———偏磁校正　Igd ———電流給定　Uxl ———限流給定

3 擎住效應(yīng)及防護技術(shù)[1 ,，2 ]

3. 1 擎住效應(yīng)

IGBT 由四層PNPN 組成，內(nèi)部形成一個寄生晶閘管,，有可能由于再生作用而發(fā)生擎住,。IGBT的擎住效應(yīng)有兩種模型：穩(wěn)定導通時的靜態(tài)擎住及關(guān)斷時產(chǎn)生的動態(tài)擎住。

3. 2 靜態(tài)擎住效應(yīng)

IGBT的等效電路如圖4a 所示,。α1 ,、α2 分別是VT1 和VT2 的電流放大系數(shù)且為電壓電流的函數(shù)。如果α1 增大,，通過P 基區(qū)的空穴電流Ih 也增大,，當Up = Ih Rp > 0. 7V 時，NPN 管開通,，VT1 ,、VT2 發(fā)生正反饋。已知當α1 + α2 = 1時,，IGBT被擎住,，柵極失去控制作用。IGBT 將發(fā)生破壞性損壞,。

3. 3 動態(tài)擎住效應(yīng)

考慮結(jié)電容的等效電路如圖4b 所示,， IGBT在關(guān)斷時J2 結(jié)因反偏幾乎承受著全部高壓。結(jié)電容Cj2影響最大,，僅考慮Cj2的影響,。重加d v/ d t 使Cj2產(chǎn)生位移電流iDis ：

iDis∝d v/ d t (3)

擎住發(fā)生時有如下關(guān)系：

通用型IGBT變頻電源的研制過程

此時應(yīng)為動態(tài)α，若不考慮α隨電壓的變化,，僅考慮電流對其影響,，則動態(tài)αs 定義為：

通用型IGBT變頻電源的研制過程

由上式可看出，擎住發(fā)生時αs1 + αs2 = 1,。此時與靜態(tài)的α1 、α2 無關(guān),。管電流隨iDis位移電流迅猛增加,，關(guān)斷時重加d v/ d t 最為有害。

3. 4 擎住效應(yīng)的防護

由上述可知,，IGBT 的擎住效應(yīng)是由器件的特殊結(jié)構(gòu)決定的,。應(yīng)為IGBT 設(shè)計良好的周邊電路,，抑制擎住的發(fā)生，主要從以下幾方面考慮,。

(1) 避免IGBT超過熱極限

IGBT的擎住電流與溫度有關(guān),，參見圖5。散熱器的溫度以不超過70 ℃為宜,。因溫度升高后,，NPN 管開通的偏置電壓不再是0. 7V ，而是隨溫度的升高而下降,；p + 區(qū)的橫向電阻RP 隨溫度升高而增大,，二者的影響均促使擎住電流下降。

通用型IGBT變頻電源的研制過程

(2) 選擇合理的驅(qū)動條件

IGBT的動靜態(tài)特性與門極驅(qū)動條件密切相關(guān),。正反向驅(qū)動電壓±Uge ,、門極電阻Rg 對IGBT的飽和壓降、開關(guān)損耗,、短路耐量等都有不同程度影響,。經(jīng)驗表明，正向驅(qū)動以13V ≤Ug ≤15V ,，反向驅(qū)動以- 7V ≤- Uge ≤- 5V 為宜,。在開關(guān)損耗允許的情況下，Rge 應(yīng)適當選大,。

(3) 利用緩沖電路限制過壓

IGBT感性關(guān)斷時產(chǎn)生的浪涌電壓一方面可能使IGBT的關(guān)斷軌跡位于安全工作區(qū)之外,，另一方面使管耗增加，溫度升高對抑制擎住不利,。必須使用緩沖電路消除這種開關(guān)浪涌,。緩沖電路采用阻止放電型結(jié)構(gòu)，如圖6 所示,。各參數(shù)按下列關(guān)系選?。?/p>

通用型IGBT變頻電源的研制過程

式中　Ls ———引線電感，以1μH/ m計　Io ———IGBT最大脈沖電流值　K ———額定減小系數(shù),，非重復時K= 1 ,，重復時K = 0. 8　

Ucep ———集射間的峰值電壓，Ucep = Ud + UFM +Lsd i/ d　Ud ———直流高壓　UFM ———二極管暫態(tài)正向壓降,，1200V 級取40～60V

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實測電壓尖峰ΔU = Ucep - Ud <100V ,，緩沖效果比較明顯。

(4) 過流或短路故障時應(yīng)使IGBT 緩關(guān)斷

故障情況下,，由于關(guān)斷時隨著MOSFET 溝道的減小,，電流會流過Rp ，使Up 升高， IGBT 可能會進入擎住,。而簡單快速地關(guān)斷IGBT ,，會產(chǎn)生較大的d i/ d t 和d v/ d t ，也可能促使IGBT 進入擎住,。應(yīng)該在IGBT耐量允許的前提下,，設(shè)法緩關(guān)斷IGBT。

(5) 合理選擇器件等級和開關(guān)頻率

IGBT功率模塊電流等級參考下式選?。?/p>

ic = NPo/ (ηDmaxUdmin) (14)

式中　Po ———額定輸出功率　N ———功率裕量系數(shù)　η ———效率

Dmax ———最大占空比　Udmin ———最低直流高壓

高速型IGBT的優(yōu)選頻率范圍是10～15kHz(硬開關(guān)) ,。開關(guān)頻率太高，管耗大,，溫升高,，可靠性下降。以單相4kW的靜止變頻電源為例,，選用富士2MBI50L - 120 功率模塊,。頻率調(diào)制比mf = 33 ，載波頻率f = 400 ×33 = 13. 2kHz,。經(jīng)主電路倍頻以后,，逆變橋輸出的SPWM 脈沖波的頻率為26. 4kHz ，其頻譜見圖2,。

4 控制,、驅(qū)動及保護電路

由EPROM和D/ A 構(gòu)成調(diào)制波產(chǎn)生電路是目前較好的辦法。將參考正弦按規(guī)則采樣法離線算好后存于EPROM 中,，若為三相電源,，參考正弦三相互差120°，使用一片最小容量的普通型EPROM即可,?；倦娐啡鐖D7 所示。

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