【正文】 電流IC才有漏電流ICEO開(kāi)始增加。這段時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間td。再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間tir后，IC達(dá)到ICM= IL(IL為流經(jīng)感性負(fù)載的電流)。tir稱為電流上升時(shí)間。此時(shí)，UGE開(kāi)始下降，在tuf時(shí)間內(nèi)下降到飽和電壓UGE（sat）。tuf稱為電壓下降時(shí)間。IGBT的導(dǎo)通時(shí)間ton為、之和，即 = （12）(2)關(guān)斷特性在IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，柵極電容上充有正電壓UGE，當(dāng)UGE向負(fù)方向變化時(shí)，由于柵極電容有個(gè)放電過(guò)程，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，UGE減小到柵極開(kāi)啟電壓UGE(th)，集電極電流開(kāi)始下降。這段時(shí)間稱為存儲(chǔ)時(shí)間ts。ts過(guò)后IC開(kāi)始從IM=IC下降，由于感性負(fù)載的di/dt的作用，UGE在上升過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電壓過(guò)沖UCP，這段時(shí)間稱為電壓上升時(shí)間tur。在tur過(guò)后，IC繼續(xù)下降，最后達(dá)到ICEO，這段時(shí)間稱為電流下降時(shí)間tif。IGBT的關(guān)斷時(shí)間toff為ts、tur、tif之和，即 （13） IGBT具有優(yōu)良的高溫通態(tài)特性，在環(huán)境溫度（散熱片溫度）達(dá)到200oC左右時(shí)，仍能正常工作。特別值得一提的時(shí)，隨著溫度的增高，IGBT的整個(gè)壓降反而略有下降，并且還可以在某個(gè)特定的通態(tài)電流下，隨著溫度的變化，其通態(tài)正向壓降保持基本不變。當(dāng)通態(tài)電流高于此值時(shí)，隨著溫度的增高，其正向壓降略有增加。但實(shí)際應(yīng)用中，還是應(yīng)該注意器件的散熱問(wèn)題，以避免器件工作在高溫環(huán)境中。 IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)IGBT在正常工作時(shí)，集電極電流IC基本上受UCM控制，但當(dāng)集電極電流IC超過(guò)某一緩大值ICY,之后，柵極電壓UCE將失去控制作用。這是IGBT的一種特殊現(xiàn)象，導(dǎo)致器件損壞。由于IGBT關(guān)斷過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)所謂動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)，這時(shí)允許的ICE值比靜態(tài)擎住時(shí)的值更小。因此器件給出的ICM通常按動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)來(lái)規(guī)定。IGBT經(jīng)常用于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，因此，它的安全工作區(qū)分為正向偏置安全工作區(qū)和反向偏置安全工作區(qū)。正偏安全工作區(qū)FBSOA是指柵一射極間加正偏壓時(shí)的安全工作區(qū)，對(duì)應(yīng)IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)。如圖13所示，除ICM和集一射極最大允許電壓UCEM邊界外，另一邊界對(duì)應(yīng)于允許的功耗。因功耗與器件的導(dǎo)通時(shí)間密切相關(guān)，從圖中可以看出，IGBT的FBSOA也隨導(dǎo)通時(shí)間增加而減小。反偏安全工作區(qū)RBSOA是指柵一射極間加反偏壓時(shí)的安全工作區(qū)，三條邊界中，ICM和UCEM相同，但另一條邊界為器件關(guān)斷后集一射極間重加正向電壓的上升率。 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求(1)加在IGBT柵極G和射極E之間，用來(lái)開(kāi)通和關(guān)斷IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE的正、負(fù)脈沖，應(yīng)以足夠陡的上升沿和下降沿，使IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間短，開(kāi)關(guān)損耗小。(2)由驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電壓UGE和驅(qū)動(dòng)電流要有足夠的幅值，使IGBT總處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。UGE的幅值要綜合考慮減小IGBT通態(tài)損耗和提高其短路電流耐受能力這兩方面的要求來(lái)選取。本系統(tǒng)中為+15V。(3)在關(guān)斷過(guò)程中，為盡快抽出IGBT內(nèi)部PNP管中的存儲(chǔ)電荷，應(yīng)施加負(fù)偏壓UGE，其值受G，E極間最大反向耐壓的限制，在本系統(tǒng)中為5V。(4) IGBT內(nèi)部存在寄生晶閘管，當(dāng)集電極電流IC過(guò)大或IGBT關(guān)斷過(guò)程中dUCE/dt太高時(shí)，都可能使寄生晶閘管誤導(dǎo)通，形成靜態(tài)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)，使IGBT失控。故應(yīng)注意限制IGBT集電極電流的最大值編，本系統(tǒng)柵極外加串聯(lián)電阻Rg，以延長(zhǎng)其關(guān)斷時(shí)間，減小dUCE/dt的值。(5) 由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高電壓，所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與控制電路在電位上嚴(yán)格隔離本系統(tǒng)中，采用了TLP521光耦進(jìn)行隔離。(6) IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)單實(shí)用和可靠，自身最好帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾性。驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短，并采用絞線或同軸電纜線。本次設(shè)計(jì)采用的是富士公司的EXB系列（EXB840）直接驅(qū)動(dòng)IGBT。第2章 控制及驅(qū)動(dòng)電路分析電路的原理圖如下圖21所示： 圖21 逆變電路系統(tǒng)原理圖12V的直流電源經(jīng)逆變電路你變成電壓較小的頻率為50HZ的電能，經(jīng)變壓器變壓后升為稍大于220V的電壓，由于此時(shí)的電能中含有大量的諧波，故需經(jīng)LC濾波器濾波，此時(shí)電路的輸出為220V，50HZ的電能。由于電路本身或外界的干擾：如溫度、干擾信號(hào)的影響，輸出可能會(huì)偏離規(guī)定值，電路通過(guò)采樣，將采樣電壓信號(hào)反饋給脈沖輸出電路即門(mén)極控制電路芯片UC3524的相應(yīng)引腳，引起脈沖輸出占空比的變化，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)電壓的輸出。如果輸出電壓變大，采樣電壓信號(hào)及輸入U(xiǎn)C3524相關(guān)引腳的電流相應(yīng)變大，UC3524輸出的脈沖占空比就會(huì)減小，晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)的開(kāi)通時(shí)間就會(huì)減小，從而逆變電路輸出電壓減小，這樣，電路輸出電壓就會(huì)向220V回歸。為了電路工作的安全，本電路設(shè)計(jì)有過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)和欠電壓保護(hù)。當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)電壓或過(guò)電流時(shí)，采樣信號(hào)相應(yīng)增大，采樣電路將信號(hào)送給UC3524，UC3524可減小脈沖輸出占空比的變化或直接將芯片關(guān)斷，待人工檢查及修復(fù)后重新啟動(dòng)工作。當(dāng)電源供電不足且經(jīng)過(guò)反饋調(diào)節(jié)后輸出仍不能滿足需要時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)輸出電壓過(guò)低的情況，此時(shí)欠壓保護(hù)電路工作并發(fā)出報(bào)警，待人工檢查電路或更換電池后電路重新啟動(dòng)工作路。本電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由UC3524集成芯片模塊、驅(qū)動(dòng)放大模塊、逆變主電路模塊、變壓器模塊、過(guò)電壓過(guò)電流保護(hù)模塊等部分組成。以下針對(duì)這些模塊做詳細(xì)介紹。 UC3524具體分析 UC3524驅(qū)動(dòng)控制集成電路UC3524是雙端驅(qū)動(dòng)集成電路，由于其性能優(yōu)良，在逆變電路中得到廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是低壓變換電路還是大功率開(kāi)關(guān)電源，都可由其組成可靠性較高的電路。該系列的雙端輸出驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電路如圖22所示。UC3524內(nèi)部振蕩器的周期T=RTCT，電容 的取值范圍為1000pF～，～100KΩ，其最高振蕩頻率為300VTHZ。UC3524內(nèi)部設(shè)有驅(qū)動(dòng)脈沖電路，通過(guò)控制PWM比較器的輸出，使集成電路處于關(guān)閉狀態(tài)，無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。UC3524的兩組驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)也采用集電極、發(fā)射極開(kāi)路輸出的NPN型雙極型三極管，以便用于單端或推挽電路的驅(qū)動(dòng)，兩路輸出脈沖，每路輸出最大脈寬為45%。驅(qū)動(dòng)推挽電路時(shí)，次級(jí)電路得到兩組正向脈沖分別使內(nèi)部?jī)山M放大管輪流導(dǎo)通，其最大脈寬為90%。因?yàn)閮山M驅(qū)動(dòng)輸出極性相同，只是在時(shí)間軸上出現(xiàn)的序列不同，所以可以將兩驅(qū)動(dòng)輸出脈寬并聯(lián)，將輸出最大脈寬90%的單端驅(qū)動(dòng)脈沖，用于單端變換器。分成兩路輸出，振蕩頻率為開(kāi)關(guān)頻率的兩倍；單端并聯(lián)運(yùn)用時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率等于振蕩頻率。 電源中UC3524的各腳功能及外圍元件作用如下：1腳：內(nèi)部誤差檢測(cè)放大器A的差分放大器反相輸入端?？赏ㄟ^(guò)外部取樣電壓對(duì)其進(jìn)行供電。2腳：誤差放大器A的正相輸入端，可將16腳輸出的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓經(jīng)分壓作為誤差檢測(cè)的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)1腳取樣電壓升高時(shí)，差分放大器輸出電壓降低，送至脈寬調(diào)制器B，使輸出脈沖占空比減小。差分放大器的輸出電壓與輸出脈沖占空比有近似的線性關(guān)系，脈沖占 圖22 UC3524內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)空比為45%；，脈沖占空比降為10%；輸出電壓為1V時(shí)，脈沖占空比為零，無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出?！?。3腳：內(nèi)部振蕩器鋸齒波輸出端，如果不用顯示內(nèi)部波形，此引腳可以懸置不用。5腳：分別為開(kāi)關(guān)電流限制放大器的+、取樣輸入端。開(kāi)關(guān)電流可通過(guò)外接電流取樣電阻，變成與電流成正比的取樣電壓，輸入5中的任意引腳，當(dāng)取樣電壓升到200mV時(shí)，輸出脈沖占空比降低為最大占空比的25%；取樣電壓升到210mV時(shí)，占空比變?yōu)榱?，?qū)動(dòng)脈沖被關(guān)斷。 ～+1V范圍內(nèi)。6腳：外接定時(shí)電阻，設(shè)定RT的充電電流也即控制RT的充電時(shí)間。7腳：外接定時(shí)電容。CT的值和RT共同決定振蕩周期：T=RT（KΩ）CT（μF）。8腳：接地端。9腳：誤差放大器的輸出端，用以接入電容與電阻組成的相位校正電路，以穩(wěn)定誤差放大電路的工作狀態(tài)，防止高頻自激。10腳：PWM脈沖輸出控制端，當(dāng)此輸入1V以上的高電平時(shí)，將誤差放大器輸出端（即PWM比較器B的輸入端），使輸出脈沖占空比為零，驅(qū)動(dòng)脈沖被關(guān)斷。此高平關(guān)斷特點(diǎn)既可用于電源OFF/ON人為控制，也可用于過(guò)電壓保護(hù)等電路。114腳：內(nèi)部?jī)陕夫?qū)動(dòng)級(jí)NPN雙極型三極管的發(fā)射極引出端?？芍苯咏o晶閘管門(mén)極供電，來(lái)觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通；若晶閘管所需導(dǎo)通電流太大，可接一級(jí)NPN型三極管構(gòu)成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，形成較大的觸發(fā)電流，增強(qiáng)其觸發(fā)能力。113腳：內(nèi)部?jī)陕夫?qū)動(dòng)級(jí)NPN雙極型三極管的集電極引出端。通過(guò)大電阻將其與外接電源相連，使其反偏，即可在射極輸出脈沖電流。15腳：電源的輸入端。 16腳：5V基準(zhǔn)電壓輸出端。最大電流為50mA，在輸入電壓允許范圍內(nèi)其誤差小于1%。如果外設(shè)保護(hù)電路，也可組成高穩(wěn)定度的5V電源。 UC3524輸出波形UC3524的內(nèi)部振蕩頻率7引腳外接的RT、CT決定，T=RT（VTΩ）CT（μF）。脈沖輸出引腳114引腳輸出脈沖電流為晶閘管供電，此時(shí)為兩路輸出，每路的輸出頻率為振蕩頻率的1/2，振蕩器的波形及輸出脈沖波形均為矩形波。如圖23所示。 驅(qū)動(dòng)放大電路當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，管子導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，管子關(guān)斷。IGBT具有和雙極型電力晶體管類似的伏安特性，隨著控制電壓UGE的增加，特性曲線上移。開(kāi)關(guān)電源中IGBT通過(guò)UCZ的電平變化，使其在飽和與截止兩種狀態(tài)下工作。實(shí)用驅(qū)動(dòng)法有直接驅(qū)動(dòng)法和隔離驅(qū)動(dòng)法，下面對(duì)兩種方法進(jìn)行介紹。 圖23 振蕩器的波形及輸出脈沖波形圖24 有正負(fù)偏壓的直接驅(qū)動(dòng)電路 圖25 變壓器隔離驅(qū)動(dòng)圖26 光耦合隔離驅(qū)動(dòng)(1) 直接驅(qū)動(dòng)法直接驅(qū)動(dòng)法有兩種電路形式。如圖24所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動(dòng)電路要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源方式，輸入信號(hào)經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級(jí)，放大級(jí)采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門(mén)極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動(dòng)電路適用于小容量的IGBT。(2)隔離驅(qū)動(dòng)法 圖25為最簡(jiǎn)單的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路，適用于小容量的IGBT。圖26為光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)電路，采用雙電源供電的方式。當(dāng)VG使發(fā)光二極管有電流流過(guò)時(shí)，光電耦合器HU的三極管導(dǎo)通，R1上有電流流過(guò)，場(chǎng)效應(yīng)管T1關(guān)斷，在VC的作用下，經(jīng)電阻RT2管的基—發(fā)射器有了偏流，T2迅速導(dǎo)通，經(jīng)RG柵極電阻，IGBT得到正偏而導(dǎo)通。當(dāng)VG沒(méi)有脈沖電壓時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，作用過(guò)程相反，T1導(dǎo)通使T3導(dǎo)通，－Vc經(jīng)柵極電阻RG加在IGBT得柵、射極之間，使IGBT迅速 關(guān)斷。本文所用的驅(qū)動(dòng)放大電路是由相連組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)充當(dāng)?shù)摹＿_(dá)林頓管是一重復(fù)合三極管，他將兩個(gè)三極管串聯(lián)，第一個(gè)管子的發(fā)射極接第2個(gè)管子的基極，所以達(dá)林頓管的放大倍數(shù)是本電路設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)放大環(huán)節(jié)是由兩個(gè) 圖27 驅(qū)動(dòng)放大電路 NPN型三極管兩個(gè)三極管放大倍數(shù)的乘積。所以它的特點(diǎn)是放大倍數(shù)非常高，達(dá)林頓管的作用一般是在高靈敏的放大電路中放大非常微小的信號(hào)。其電路結(jié)構(gòu)如圖27所示。V1與VV2與V4分別形成一對(duì)達(dá)林頓管。11腳輸出的脈沖電流輸入V1的基極，經(jīng)過(guò)V1與V3的放大，在V3的集電極上形成與射極基本相同大小的電流，由于V3的集電極與晶閘管的門(mén)極相連，在集電極上接一定阻值的電阻，可在門(mén)極上形成正向電壓，從而使晶閘導(dǎo)通。V2與V4用于放大14腳的輸出脈沖，用于觸發(fā)晶閘管VT2。驅(qū)動(dòng)放大電路由外部附加電源VCC進(jìn)行供電。 第3章 主電路設(shè)計(jì) 推挽式電路推挽式電路是一種放大電路，它按功放輸出級(jí)放大元件的數(shù)量，可以分為單端放大器和推挽放大器。單端放大器的輸出級(jí)由一只放大元件（或多只元件但并聯(lián)成一組）完成對(duì)信號(hào)正負(fù)兩個(gè)半周的放大。單端放大機(jī)器只能采取甲類工作狀態(tài)。 推挽放大器的輸出級(jí)有兩個(gè)“臂”（兩組放大元件），一個(gè)“臂”的電流增加時(shí)，另一個(gè)“臂”的電流則減小，二者的狀態(tài)輪流轉(zhuǎn)換。對(duì)負(fù)載而言，好像是一個(gè)“臂”在推，一個(gè)“臂”在拉，共同完成電流輸出任務(wù)。盡管甲類放大器可以采用推挽式放大，但更常見(jiàn)的是用推挽放大構(gòu)成乙類或甲乙類放大器。對(duì)于推挽電路，有以下優(yōu)點(diǎn)：①電壓輸出特性很好。由于它的兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)VT1和VT2輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對(duì)稱，并且開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，并且它是所有開(kāi)關(guān)電源中電壓利用率最高的開(kāi)關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以被廣泛應(yīng)用于低輸入電壓的DC/AC逆變器，或者DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中。②是一個(gè)輸出電壓特性非常好的開(kāi)關(guān)電源。它經(jīng)橋式整流或全波整流后，其輸出電壓的電壓脈動(dòng)系數(shù)Sv和電流脈動(dòng)系數(shù)Si都很小，因此只需要一個(gè)很小值的儲(chǔ)能濾波電容或儲(chǔ)能濾波電感，就可以得到一個(gè)電壓紋波和電流紋波都很小的輸出電壓。③開(kāi)關(guān)電源的工作效率很高。它的變壓器屬于雙極性磁極化，磁感應(yīng)變化范圍是單極性磁極化的兩倍多，并且變壓器鐵心不需要留氣隙，因此，它的變壓器鐵心的導(dǎo)磁率比單極性磁極化的正激或反式開(kāi)關(guān)電源變壓器鐵心的導(dǎo)磁率高很多倍；這樣變壓器初、次級(jí)的線圈匝數(shù)可比單極性磁極化變壓器初、次級(jí)的線圈匝數(shù)少一倍以上，漏感以及銅損耗都比單極性磁極化變壓器小很多。圖31 推挽電路原理圖④驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。它的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件有一個(gè)公共接地端，相對(duì)于半橋式或全橋式開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單很多，這也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的逆變電路也可用半橋電路或全橋電路替代，如圖31所示。但與推挽電路相比，半橋式以及全橋電路都有一個(gè)共同缺點(diǎn)，就是當(dāng)兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)VT1和VT2處于交替轉(zhuǎn)換工作