IGBT構成的交流傳動逆變器的設計

摘要：分析了IGBT構成的交流傳動逆變器的主電路原理、逆變電路結構及緩沖保護電路結構，并對主電路的安裝布局以及電壓電流參數(shù)的選取做出了說明，同時提出了一種由M57959構成的IGBT驅動電路的設計，該電路對逆變器的設計有一定的應用價值。
關鍵詞：IGBT；逆變器；電壓電流參數(shù)；保護吸收電路；M57959L

0 引言
    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。
     交流電機一般采用交-直-交逆變電源的供電方式，即現(xiàn)在電網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，給電機供電。因此逆變器是其中較關鍵的技術裝置之一。隨著半導體器件的發(fā)展，IGBT越來越多的被應用到交流傳動技術中。本文主要分析IGBT構成的交流傳動用逆變器的主電路結構，包括主電路形式、驅動電路與緩沖吸收保護電路的實現(xiàn)。

1 主電路結構原理圖
    圖1為典型的逆變器結構原理圖。它由三部分組成：逆變電路、驅動保護電路、控制與信號采集電路。

    逆變電路主要負責電能轉化，即將輸入的直流電能轉化為電機負載可用的三相交流電能，為電機提供能源。圖2所示為逆變電路原理圖，這個逆變電路由6個絕緣柵雙極晶體管T1～T6及續(xù)流二極管D1～D6組成。通過控制IGBT管T1～T6的通關斷將輸入的直流電源逆變成頻率可調的矩形波交流電輸出到三相電機。其續(xù)流二極管D1～D6的作用是當T1～T6由導通變?yōu)榻刂箷r，為儲存在電動機線圈中的電能提供釋放通道；當電動機制動時，為再生電流提供回流到直流電源的通道。

2 保護吸收電路結構
    由于電路中分布電感的存在，加之IGBT開關速度較高，當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆相恢復時，會產生很大的浪涌電壓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IGBT不被損壞?？梢圆捎眉友b保護吸收電路的辦法來抑制浪涌電壓。其原理圖如圖3所示，該保護吸收電路有良好的抑制效果，具有保護吸收中發(fā)生損耗小的優(yōu)點。

[!--empirenews.page--]

2．1 保護電路原理分析
    以開關管T1關斷時刻為起點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放點共3個階段。
    線性化換流階段從開關管T1接收關斷信號開始到開關管T1全截止結束。流過母線寄生電感Lp的母線電流經T1和吸收電路2條支路分流。
    在線性化換流階段結束后，開關管T1完全截止。此時，主回路寄生電感Lp與吸收電容Cs產生諧振，Lp中儲存的能量向Cs轉移。當吸收電容上電壓達到最大值，即諧振峰值時，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。
    在第二階段結束之后，吸收電容Cs上過沖能量通過吸收電阻R、電源和負載放電。在放電過程中，近似認為負載是恒流源。
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關斷時的集電極電流，VCEP是緩沖電容器電壓最終到達值，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下一次關斷前，將緩沖電容器電荷釋放。因此在IGBT進行下一次動作之前，在儲存電荷的90％放電條件下，緩沖電阻取值公式應滿足下列公式：
   
    其中，f為交換頻率。

3 驅動電路結構
    要保證IGBT工作可靠，其驅動電路起著至關重要的作用。
3．1 IGBT驅動電路要求
    IGBT驅動電路的基本要求主要有以下幾點：
    (1)驅動電路必須十分可靠，要保證為IGBT的柵極電容提供一個低阻抗的充放電回路；
    (2)在滿足開關特性和功耗允許的情況下，門極電阻可以適當增大，用于限制瞬時壓降尖峰；
    (3)驅動電路能夠傳遞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。通常選用正向驅動電壓為+15 V，反向驅動電壓為-8V。
3．2 M57959L構成的驅動電路
    根據(jù)上述驅動電路設計原則，按照不同要求可以設計出多種形式的驅動電路。常用的驅動電路有分立元件構成的驅動電路和專用集成驅動電路。相對于分立元件構成的驅動電路，專用集成驅動電路抗干擾能力強、集成化程度高、速度快、保護功能完善，可實現(xiàn)IGBT的最佳驅動。
    M57959L是日本三菱公司生產的混合集成IGBT驅動器，其內部原理結構如圖4所示。它由高速光電隔離輸入，絕緣強度高，可與TTL電平兼容。內藏定時邏輯短路保護電路，并具有保護延時特性。芯片由正負電源供電，克服了單電源供電時負電壓不穩(wěn)的缺點，驅動功率大，可驅動200A／600V或100A／1200V的IGBT模塊。由M57959L構成的驅動電路如圖5所示。

[!--empirenews.page--]

    使用時應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、減緩開關開通時的di／dt、改善電流上沖波形、減小浪涌電壓。從安全角度考慮，Rext應取較大值，但是較大的Rext影響開關速度，增加開關損耗；從提高工作頻率出發(fā)，應取較小值。在滿足開關頻率的情況下，應取較大的Rext。

4 主電路安裝與布局
    由于IGBT開關頻率非?？?，同時功率也很高，由IGBT構成的逆變器會對其他部件產生很強的干擾。這些干擾不僅影響電路的正常工作，甚至有可能會使逆變器因為瞬時短路而損壞。因此，應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。
常見的干擾及相應的措施有：
    (1)隔離供電抑制IGBT開關干擾由于供電變壓器的分布電容和耦合電感的影響，當其中一個IGBT導通或關斷時產生的強尖峰脈沖會通過分布電容(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。如果不仔細設計PCB的布局，這些磁通會穿過閉合的PCB導線而形成電流。為此，可采取以下措施抑制干擾：
    a，每一個IGBT的觸發(fā)電路元件應集中在一個狹窄的區(qū)域，避免互相交叉；
    b，同一相位的觸發(fā)電路應相鄰，而兩組之間距離應相對較遠；
    c，PCB與IGBT之間的引線應盡可能短并互相絞合。

5 IGBT電壓電流參數(shù)選取
    在保護吸收電路中，當T1導通，T2截止時，T2承受的電壓Uce2為：
   
    考慮電網波動為+／-10％，T2成熟的電壓為Uce2為：
   
    再考慮到電路中開通關斷瞬時電壓，及IGBT模塊承受電壓應留有50％～80％的裕量，其所選模塊電壓BVce應為：
   
    考慮電網的波動、啟動時電流尖峰的影響，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 結束語
    本文主要介紹了IGBT構成的電機傳動用逆變器的主電路組成及IGBT參數(shù)選擇，驅動電路、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注意的問題，對實際應用中的逆變器設計有一定價值。