電能分為交流電能與直流電能,，由交流電能變?yōu)橹绷麟娔艿倪^程稱為整流,，由直流電能變?yōu)榻涣麟娔艿倪^程稱為逆變,。逆變器就是一種完成直流電能向交流電能變換的裝置,。

交流電機(jī)一般采用交-直-交逆變電源的供電方式,，即現(xiàn)在電網(wǎng)提供的交流電通過整流、濾波變成直流電,，再通過逆變器將直流電變成所需要的交流電源,，給電機(jī)供電。因此逆變器是其中較關(guān)鍵的技術(shù)裝置之一,。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展,，IGBT越來越多的被應(yīng)用到交流傳動(dòng)技術(shù)中。本文主要分析IGBT構(gòu)成的交流傳動(dòng)用逆變器的主電路結(jié)構(gòu),，包括主電路形式,、驅(qū)動(dòng)電路與緩沖吸收保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)。

1 主電路結(jié)構(gòu)原理圖

圖1為典型的逆變器結(jié)構(gòu)原理圖,。它由三部分組成：逆變電路,、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、控制與信號采集電路,。

逆變電路主要負(fù)責(zé)電能轉(zhuǎn)化，即將輸入的直流電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)負(fù)載可用的三相交流電能,，為電機(jī)提供能源,。圖2所示為逆變電路原理圖，這個(gè)逆變電路由6個(gè)絕緣柵雙極晶體管T1～T6及續(xù)流二極管D1～D6組成,。通過控制IGBT管T1～T6的通關(guān)斷將輸入的直流電源逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電輸出到三相電機(jī),。其續(xù)流二極管D1～D6的作用是當(dāng)T1～T6由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，為儲存在電動(dòng)機(jī)線圈中的電能提供釋放通道,；當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí),，為再生電流提供回流到直流電源的通道。

2 保護(hù)吸收電路結(jié)構(gòu)

由于電路中分布電感的存在,，加之IGBT開關(guān)速度較高,，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆相恢復(fù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,，從而威脅IGBT的安全,。因此必須采取措施抑制浪涌電壓，保護(hù)IGBT不被損壞,?？梢圆捎眉友b保護(hù)吸收電路的辦法來抑制浪涌電壓。其原理圖如圖3所示,，該保護(hù)吸收電路有良好的抑制效果,，具有保護(hù)吸收中發(fā)生損耗小的優(yōu)點(diǎn),。

2.1 保護(hù)電路原理分析

以開關(guān)管T1關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)來分析吸收電路的工作原理，其工作過程可分為：線性化換流,、母線寄生電感Lp諧振能量和吸收電容Cs放點(diǎn)共3個(gè)階段,。

線性化換流階段從開關(guān)管T1接收關(guān)斷信號開始到開關(guān)管T1全截止結(jié)束。流過母線寄生電感Lp的母線電流經(jīng)T1和吸收電路2條支路分流,。

在線性化換流階段結(jié)束后,，開關(guān)管T1完全截止。此時(shí),，主回路寄生電感Lp與吸收電容Cs產(chǎn)生諧振,，Lp中儲存的能量向Cs轉(zhuǎn)移。當(dāng)吸收電容上電壓達(dá)到最大值,，即諧振峰值時(shí),，諧振電流i為零，吸收電路二極管D2截止,，箝位電壓防止有振蕩,。

在第二階段結(jié)束之后，吸收電容Cs上過沖能量通過吸收電阻R,、電源和負(fù)載放電,。在放電過程中，近似認(rèn)為負(fù)載是恒流源,。

2.2 元件參數(shù)選取

a.緩沖電容Cs選取

緩沖電路中緩沖電容Cs的電容取值為：

其中,，L是主電路的寄生電感，Io為IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流,，VCEP是緩沖電容器電壓最終到達(dá)值,，Ed為直流電源電壓。

b.緩沖電阻Rs的取值

緩沖電阻的作用是在IGBI下一次關(guān)斷前,，將緩沖電容器電荷釋放,。因此在IGBT進(jìn)行下一次動(dòng)作之前，在儲存電荷的90%放電條件下,，緩沖電阻取值公式應(yīng)滿足下列公式：

其中,，f為交換頻率。

3 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

要保證IGBT工作可靠,，其驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用,。

3.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路要求

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求主要有以下幾點(diǎn)：

(1)驅(qū)動(dòng)電路必須十分可靠，要保證為IGBT的柵極電容提供一個(gè)低阻抗的充放電回路,；
     (2)在滿足開關(guān)特性和功耗允許的情況下,，門極電阻可以適當(dāng)增大，用于限制瞬時(shí)壓降尖峰,；
     (3)驅(qū)動(dòng)電路能夠傳遞kHz級的高頻脈沖信號,；
     (4)IGBT門極與發(fā)射極電壓極限壓降為±20V,。通常選用正向驅(qū)動(dòng)電壓為+15V，反向驅(qū)動(dòng)電壓為-8V,。

3.2 M57959L構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)上述驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則,，按照不同要求可以設(shè)計(jì)出多種形式的驅(qū)動(dòng)電路。常用的驅(qū)動(dòng)電路有分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和專用集成驅(qū)動(dòng)電路,。相對于分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路,，專用集成驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)、集成化程度高,、速度快,、保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最佳驅(qū)動(dòng),。

M57959L是日本三菱公司生產(chǎn)的混合集成IGBT驅(qū)動(dòng)器,，其內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由高速光電隔離輸入,，絕緣強(qiáng)度高,，可與TTL電平兼容。內(nèi)藏定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路,，并具有保護(hù)延時(shí)特性,。芯片由正負(fù)電源供電，克服了單電源供電時(shí)負(fù)電壓不穩(wěn)的缺點(diǎn),，驅(qū)動(dòng)功率大,，可驅(qū)動(dòng)200A/600V或100A/1200V的IGBT模塊。由M57959L構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示,。

使用時(shí)應(yīng)注意柵極電阻的取值。柵極電阻Rext的取值能夠影響振蕩的抑制效果,、減緩開關(guān)開通時(shí)的di/dt,、改善電流上沖波形、減小浪涌電壓,。從安全角度考慮,，Rext應(yīng)取較大值，但是較大的Rext影響開關(guān)速度,，增加開關(guān)損耗,；從提高工作頻率出發(fā)，應(yīng)取較小值,。在滿足開關(guān)頻率的情況下,，應(yīng)取較大的Rext。

4 主電路安裝與布局

由于IGBT開關(guān)頻率非?？?，同時(shí)功率也很高,，由IGBT構(gòu)成的逆變器會(huì)對其他部件產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾。這些干擾不僅影響電路的正常工作,，甚至有可能會(huì)使逆變器因?yàn)樗矔r(shí)短路而損壞,。因此，應(yīng)對電磁干擾給予足夠的重視,，而合理的安裝與布局能夠減少電磁干擾,。

常見的干擾及相應(yīng)的措施有：

(1)隔離供電抑制IGBT開關(guān)干擾由于供電變壓器的分布電容和耦合電感的影響，當(dāng)其中一個(gè)IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)尖峰脈沖會(huì)通過分布電容(電感)干擾其它IGBT的正常工作,。因此,，全橋逆變器的每一個(gè)觸發(fā)電路必須隔離供電來抑制這種干擾。

(2)由于逆變器的平均工作電流和瞬時(shí)峰值電流很大,，逆變電路中的漏電感,，甚至很小的引線電感也不能忽略。如果不仔細(xì)設(shè)計(jì)PCB的布局,，這些磁通會(huì)穿過閉合的PCB導(dǎo)線而形成電流,。為此，可采取以下措施抑制干擾：

a,，每一個(gè)IGBT的觸發(fā)電路元件應(yīng)集中在一個(gè)狹窄的區(qū)域,，避免互相交叉；

b,，同一相位的觸發(fā)電路應(yīng)相鄰,，而兩組之間距離應(yīng)相對較遠(yuǎn)；

c,，PCB與IGBT之間的引線應(yīng)盡可能短并互相絞合,。

5 IGBT電壓電流參數(shù)選取

在保護(hù)吸收電路中，當(dāng)T1導(dǎo)通,，T2截止時(shí),，T2承受的電壓Uce2為：

考慮電網(wǎng)波動(dòng)為+/-10%，T2成熟的電壓為Uce2為：

再考慮到電路中開通關(guān)斷瞬時(shí)電壓,，及IGBT模塊承受電壓應(yīng)留有50%～80%的裕量,，其所選模塊電壓BVce應(yīng)為：

考慮電網(wǎng)的波動(dòng)、啟動(dòng)時(shí)電流尖峰的影響,，選擇的IGBT模塊Icm為：

其中,，Pn為逆變器輸出功率。δ為脈沖占空比,，η為逆變器效率,。

6 結(jié)束語

本文主要介紹了IGBT構(gòu)成的電機(jī)傳動(dòng)用逆變器的主電路組成及IGBT參數(shù)選擇，驅(qū)動(dòng)電路,、緩沖吸收電路的組成及參數(shù)選擇以及主電路安裝和布局應(yīng)注意的問題,，對實(shí)際應(yīng)用中的逆變器設(shè)計(jì)有一定價(jià)值,。