變頻器和IGBT的基礎(chǔ)知識(shí)

變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將電網(wǎng)電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調(diào)的交流電，作為電動(dòng)機(jī)的電源裝置，目前在國(guó)內(nèi)外使用廣泛。使用變頻器可以節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率等。

1變頻器組成原理

1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)

調(diào)速用變頻器構(gòu)成：主電路、控制電路、保護(hù)電路

變頻器主電路工作原理

變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)框圖

按照不同的控制方式，交－直－交變頻器可分成以下三種方式：

采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn)：

在這種裝置中，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別進(jìn)行，在控制電路上協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí)，電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成多拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大，因此這類控制方式現(xiàn)在用的較少。

采用不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn)：

整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，只整流不調(diào)壓，再單獨(dú)設(shè)置斬波器，用脈寬調(diào)壓，這種方法克服功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)；但輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的缺點(diǎn)；

采用不控制整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

不控制整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn)：

在這類裝置中，用不控整流，則輸入功率因數(shù)不變；用（PWM）逆變，則輸出諧波可以減小。PWM逆變器需要全控型電力半導(dǎo)體器件，其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率則受器件開(kāi)關(guān)時(shí)間的限制。采用絕緣雙極型晶體管IGBT時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)10kHz以上，輸出波形已經(jīng)非常逼近正弦波，因而又稱為SPWM逆變器，成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。

電壓型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電壓型變頻器：

在交－直－交變頻器中，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電壓型變頻器

電流型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電流型變頻器：

當(dāng)交－直－交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電流型變頻器。

2幾種典型的交－直－交變頻器的主電路

①交－直－交電壓型變頻電路

常用的交—直—交電壓型PWM變頻電路。

交—直—交電壓型PWM變頻電路采用二極管構(gòu)成整流器，完成交流到直流的變換，其輸出直流電壓Ud是不可控的；中間直流環(huán)節(jié)用大電容C濾波；電力晶體管V1～V6構(gòu)成PWM逆變器，完成直流到交流的變換，并能實(shí)現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時(shí)調(diào)節(jié)，VD1～VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。

②交－直－交電流型變頻電路

常用的交－直－交電流型變頻電路。

交－直－交電流型變頻電路：整流器采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能；中間直流環(huán)節(jié)用大電感L濾波；逆變器采用晶閘管構(gòu)成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路，完成直流到交流的變換，并實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。

③交－直－交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較

3絕緣門(mén)極晶體管（IGBT）

一．IGBT的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

絕緣門(mén)極晶體管IGBT也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發(fā)展起來(lái)的復(fù)合型電力電子器件。

由于它結(jié)合了MOSFET和GTR的特點(diǎn)，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又具有輸入通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有著主導(dǎo)地位。

1. IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1）基本結(jié)構(gòu)

IGBT也是三端器件，三個(gè)極為漏極（D）、柵極（G）和源極（S）。

（a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）簡(jiǎn)化等效電路（c）電氣圖形符號(hào)

2）工作原理

IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。

開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的，當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE（th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。

當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無(wú)基極電流，IGBT關(guān)斷。

2.IGBT的基本特性與主要參數(shù)

IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

（a) 轉(zhuǎn)移特性 （b) 輸出特性

1）IGBT的基本特性

① 靜態(tài)特性

IGBT的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。

開(kāi)啟電壓UGE（th）是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。

UGE（th）隨溫度升高而略有下降，溫度升高1oC，其值下降5mV左右。在+25oC時(shí)，UGE（th）的值一般為2~6V。

IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程

2）主要參數(shù)

①集電極—發(fā)射極額定電壓UCES

②柵極—發(fā)射極額定電壓UGES

③額定集電極電流IC

3.IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)

從IGBT的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，IGBT電流可能發(fā)生失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤消觸發(fā)信號(hào)晶閘管仍然因進(jìn)入正反饋過(guò)程而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，因此被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。

引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），溫度升高也會(huì)加重發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)。

動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。

根據(jù)最大集電極電流、最大集電極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍；根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作電壓（RBSOA）

4IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

（1)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

①I(mǎi)GBT是電壓驅(qū)動(dòng)的，具有一個(gè)2.5~5.0V的閥值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。

②用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UCE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。

③驅(qū)動(dòng)電路中的正偏壓應(yīng)為+12~+15V，負(fù)偏壓應(yīng)為-2~-10V。

④IGBT多用于高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。

⑤驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，具有對(duì)IGBT的自保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。

⑥若為大電感負(fù)載，IGBT的關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。

（2)驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)镮GBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于IGBT。

在用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的逆變器電路中，為使IGBT能夠穩(wěn)定工作，要求IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用正負(fù)偏壓雙電源的工作方式。

為了使驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)電隔離，應(yīng)采用抗噪聲能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸時(shí)間端的光耦合器件。

基極和發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短，基極驅(qū)動(dòng)電路的輸入線應(yīng)為絞合線

為抑制輸入信號(hào)的振蕩現(xiàn)象，基極和發(fā)射極并聯(lián)一阻尼網(wǎng)絡(luò)。

驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)采用互補(bǔ)電路的形式以降低驅(qū)動(dòng)源的內(nèi)阻，同時(shí)加速I(mǎi)GBT的關(guān)斷過(guò)程。

IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路

a) 阻尼濾波 （b) 光電隔離

（3)集成化驅(qū)動(dòng)電路

IGBT有與其配套的集成驅(qū)動(dòng)電路。

這些專用驅(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的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。

5IGBT的保護(hù)電路

因?yàn)镮GBT是的保護(hù)主要是柵源過(guò)電壓保護(hù)、靜電保護(hù)、采用R-C-VD緩沖電路等等。

在IGBT電控系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)單元，以保證安全可靠工作。

必須保證IGBT不發(fā)生擎住效應(yīng)；具體做法是，實(shí)際中IGBT使用的最大電流不超過(guò)其額定電流。

1）緩沖電路

幾種用于IGBT橋臂的典型緩沖電路。

（a) （ b) （c)

a)圖是最簡(jiǎn)單的單電容電路，適用于50A以下的小容量IGBT模塊，由于電路無(wú)阻尼組件，易產(chǎn)生LC振蕩，故應(yīng)選擇無(wú)感電容或串入阻尼電阻RS；

b)圖是將RCD緩沖電路用于雙橋臂的IGBT模塊上，適用于200A以下的中等容量IGBT；

c)圖中，將兩個(gè)RCD緩沖電路分別用在兩個(gè)橋臂上，該電路將電容上過(guò)沖的能量部分送回電源，因此損耗較小，廣泛應(yīng)用于200A以上的大容量IGBT。

（2）IGBT的保護(hù)

過(guò)電流保護(hù)措施主要是檢測(cè)出過(guò)電流信號(hào)后迅速切斷柵極控制信號(hào)來(lái)關(guān)斷IGBT。

實(shí)際使用中，要求在檢測(cè)到過(guò)電流后，通過(guò)控制電路產(chǎn)生負(fù)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)關(guān)斷IGBT。只要IGBT的額定參數(shù)選擇合理，10內(nèi)的過(guò)電流一般不會(huì)使之損壞。

采用集電極電壓識(shí)別方法的過(guò)流保護(hù)電路。

6集電極電壓識(shí)別方法的過(guò)流保護(hù)電路

為了避免IGBT過(guò)電流的時(shí)間超過(guò)允許的短路過(guò)電流時(shí)間，保護(hù)電路應(yīng)當(dāng)采用快速光耦合器等快速傳送組件及電路。

檢測(cè)發(fā)射極電流過(guò)流的保護(hù)電路。

審核編輯：湯梓紅