通用型IGBT靜止變頻電源設(shè)計(jì) - 全文

　　1 　引　言

　　早期的晶閘管靜止變頻電源雖然克服了變頻機(jī)組的許多缺點(diǎn),但晶閘管的關(guān)斷依賴負(fù)載或附加的關(guān)斷電路,控制復(fù)雜,動(dòng)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(dòng)控制,避免上電時(shí)浪涌電流對(duì)整流模塊的沖擊。

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　　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(yuǎn),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(dòng)態(tài)品質(zhì)也得以改善。

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　　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)按下式選取:

　　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(guò)載,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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　　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(hù)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(gè)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(dǎo)通時(shí)的靜

　　態(tài)擎住及關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)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(guò)P 基區(qū)的空穴電流Ih 也增大,當(dāng)Up = Ih Rp > 0. 7V 時(shí),NPN 管開通,VT1 、VT2 發(fā)生正反饋。已知當(dāng)α1 + α2 = 1時(shí),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(dòng)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(shí)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 :

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　　此時(shí)應(yīng)為動(dòng)態(tài)α,若不考慮α隨電壓的變化,僅考慮電流對(duì)其影響,則動(dòng)態(tài)αs 定義為:

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

　　3. 4 　擎住效應(yīng)的防護(hù)

　　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(jì)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(guò)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(guò)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。

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　　(2) 選擇合理的驅(qū)動(dòng)條件

　　IGBT的動(dòng)靜態(tài)特性與門極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)。正反向驅(qū)動(dòng)電壓±Uge 、門極電阻Rg 對(duì)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(yàn)表明,正向驅(qū)動(dòng)以13V ≤Ug ≤15V ,反向驅(qū)動(dòng)以- 7V ≤- Uge ≤- 5V 為宜。在開關(guān)損耗允許的情況下, Rge 應(yīng)適當(dāng)選大。

　　(3) 利用緩沖電路限制過(guò)壓

　　IGBT感性關(guān)斷時(shí)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(duì)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)系選取:

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　　式中　Ls ———引線電感,以1μH/ m計(jì)

　　Io ———IGBT最大脈沖電流值

　　K ———額定減小系數(shù),非重復(fù)時(shí)K= 1 ,重復(fù)時(shí)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(jí)取40～60V

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　　實(shí)測(cè)電壓尖峰ΔU = Ucep - Ud <100V ,緩沖效果比較明顯。

　　(4) 過(guò)流或短路故障時(shí)應(yīng)使IGBT 緩關(guān)斷

　　故障情況下, 由于關(guān)斷時(shí)隨著MOSFET 溝道的減小, 電流會(huì)流過(guò)Rp ,使Up 升高, IGBT 可能會(huì)進(jìn)入擎住。而簡(jiǎn)單快速地關(guān)斷IGBT ,會(huì)產(chǎn)生

　　較大的d i/ d t 和d v/ d t ,也可能促使IGBT 進(jìn)入擎住。應(yīng)該在IGBT耐量允許的前提下,設(shè)法緩

　　(5) 合理選擇器件等級(jí)和開關(guān)頻率

　　IGBT功率模塊電流等級(jí)參考下式選取:

　　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(dòng)及保護(hù)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。基本電路如圖7 所示。

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　　因?yàn)槿遣ㄝd波的斜邊是與參考正弦在臺(tái)階處相交,比較器不存在抖動(dòng)問(wèn)題,不需附加任何措施,穩(wěn)定可靠。

　　5 　主要技術(shù)指標(biāo)

　　單相4kW變頻電源:

　　輸入　　　　50Hz ,380V , ±10 %

　　輸出　　　　單相115V/ 230V , ±10 %可調(diào)

　　電壓調(diào)整率　< 1 %

　　輸出波形　　正弦波,THD < 3 % ,單次諧波< 2 %

　　頻率　　　　400Hz , ±30Hz 可調(diào)

　　過(guò)載能力　　120 % ,10 分鐘

　　效率　　　　> 80 %

　　6 　結(jié)　論

　　單相4kW 變頻電源在兩種雷達(dá)上試用成功。在此基礎(chǔ)上,已派生出各種規(guī)格的電源。實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化和系列化。