IGBT構成的交流傳動逆變器的設計

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　　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(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(qū)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(qū)動保護電路、控制與信號采集電路。

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　　逆變電路主要負責電能轉(zhuǎn)化，即將輸入的直流電能轉(zhuǎn)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(diào)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。

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　　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(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。

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　　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(jīng)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(chǎn)生諧振，Lp中儲存的能量向Cs轉(zhuǎn)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：

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　　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：

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　　其中，f為交換頻率。