【文章內(nèi)容簡介】 0Hz。由于其工作頻率低，關(guān)斷電路復(fù)雜，效率低，功耗大，因此在 PWM 調(diào)制中產(chǎn)生的正弦波不夠完善，并且噪聲大。目前，逆變器中已經(jīng)基本不再用 SCR 作為功率開關(guān)器件， SCR 主要用做 UPS 的靜態(tài)開關(guān)。 2）功率場效應(yīng)管（ MOSFET）：功率 MOSFET 是一種全控型三端開關(guān)器件。其特點(diǎn)是開關(guān)速度快，安全工作區(qū)寬，熱穩(wěn)定性好，線性控制能力強(qiáng)，采用電壓控制，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控，因此常常作為開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)電量的逆轉(zhuǎn)換。 MOSFET 的 缺點(diǎn)是輸入阻抗高，抗靜電干擾能力差，承載能力和工作電壓比較低，多用于電壓為 500V 以下的低功率高頻開關(guān)逆變器。由于受功率的限制，因此它只適用于小功率逆變器。 3） BJT（功率 GTR）晶體管： BJT 直到 1985 年實(shí)現(xiàn)達(dá)林頓模塊后才達(dá)到 300A、1000V 和增益 100 的水平。大功率晶體管開關(guān)時(shí)間為 ? ，自身電壓降為 。若采用多重達(dá)林頓晶體管提高增益，則開關(guān)時(shí)間增長，自身電壓降會(huì)增大。由于其開通狀態(tài)必須飽和，因此電流增益很低，往往要求驅(qū)動(dòng)電路輸出很大的電流， 是功率消耗增大，在 20 世紀(jì) 80 年代中期，它曾用于中小功率逆變器中，現(xiàn)在已經(jīng)基本不使用了。 4） 絕緣柵雙極晶體管（ IGBT）： IGBT 是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型功率開關(guān)器件，它既有單極型電壓驅(qū)動(dòng)的 MOSOFT 的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了雙極型開關(guān)器件 BJT 耐高壓，電流大的優(yōu)點(diǎn)。其開關(guān)速度顯然比功率 MOSFET 低，但遠(yuǎn)高于 BJT，又因?yàn)樗请妷嚎刂破骷?，故控制電路簡單、穩(wěn)定性好。 IGBT 的最高電壓為 1200V，最大電流為 1000A，工作頻率高達(dá) 1000kHz。它具有電壓控制和開關(guān)時(shí)間（約為 300ns）極短的優(yōu)點(diǎn)。其正向壓降約 為 3V。 在現(xiàn)代的 UPS中 IGBT普遍被用作逆變器或整流器開關(guān)器件。它是全控型開關(guān)器件，通過數(shù)控技術(shù)控制 IGBT 的通斷，能有效地將輸入電壓與輸入電流保持同步，是功率因數(shù)等于 1，從而減小了 UPS 整流器對(duì)市電電源的干擾。 15kVA逆變電源設(shè)計(jì) 4 器件的選擇 通過對(duì)各種功率器件的分析，對(duì)于本次 15KVA 逆變電源設(shè)計(jì)將選用 IGBT 場效應(yīng)晶體管作為逆變器用功率開關(guān)器件。下面就對(duì)絕緣柵雙極晶體管（ IGBT）做詳細(xì)的介紹。 絕緣柵極雙極性晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)是功率 MOSFET和雙極型功率晶體管組合在一起的符合功率器件。它既具有 MOSOFT 管的通 /斷速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小和驅(qū)動(dòng)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，又具有大功率雙極晶體管的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點(diǎn)。從 IGBT 問世以來得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展很快。特別是在開關(guān)和逆變電路中，它是被廣泛應(yīng)用的、理想的開關(guān)器件。 IGBT 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號(hào)如圖 21 所示。圖 21（ a）為 IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與 MOSFET 比較， IGBT 是在 MOSFET 的漏極下又增加了一個(gè) P? 區(qū)，多了一個(gè)PN 結(jié)（ 1J ）。 IGBT 的等效電路如圖 21（ b）所示。它是有 MOSOFT 和雙極型功率晶體管復(fù)合而成的。 IGBT 的電氣符號(hào)如圖 21（ c）所示。 圖 21 IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號(hào) IGBT 具有正反向阻斷電壓高、通態(tài)電壓大及通過電壓來控制其導(dǎo)通或關(guān)斷等特點(diǎn)。同時(shí)，由于采用 MOS 柵，其控制電路的功耗小，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的靜態(tài)功耗也很小，只是在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中存在一定的動(dòng)態(tài)損耗。這種動(dòng)態(tài)損耗也可以通過軟開關(guān)即使使其達(dá)到最小。由于 IGBT 具有這些特點(diǎn)，才使其被廣泛地作為功率開關(guān)期間用于開關(guān)和逆變電路中。 15kVA逆變電源設(shè)計(jì) 5 IGBT 的基本特性 IGBT 的基本特性分為靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和高溫特性三個(gè)部分。 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要包括輸出伏 安特性、轉(zhuǎn)移特性和靜態(tài)開關(guān)特性。 1）輸出伏 安特性 IGBT 的輸出伏 安特性曲線如圖 22 所示。它是表示以柵極 發(fā)射極間電壓 GEU 為變量的集電極電流 CI 和集電極 發(fā)射極 間電壓 GEU 的關(guān)系曲線。 圖 22 IGBT 的輸出伏 安特性曲線 IBGT 的輸出伏 安特性曲線分為四個(gè)區(qū)域： （ 1） I 區(qū)為截止區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，由于 GEU 很小，隨著 GEU 的增加 CI 很小，且變化不大。此時(shí)， CI 基本上是 C、 E 間的漏電流 CEOI 。 （ 2） II 區(qū)為線性放大區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，隨著 GEU 的增加，當(dāng) GEU ≥ ()GEthU （ IGBT的開啟電壓）時(shí)， CI 開始增加，并且隨著 GEU 的變化呈線性關(guān)系： C m GEI g U? 式中， mg 為 IGBT 的跨導(dǎo)。 當(dāng) IGBT 用于逆變電路的開關(guān)狀態(tài)時(shí)，要求盡快越過這個(gè)區(qū)域，以便減小通態(tài)損耗。因此， mg 這個(gè)參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中顯得不是很重要了。 （ 3） III 區(qū)為飽和區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，當(dāng) GEU 為某一定值時(shí)，隨著 GEU 的增加， CI 基本不變，達(dá)到飽和。 CI 達(dá) 到飽和后的集電極 發(fā)射極電壓成為 IGBT 飽和電壓，記為()CEsatU 。一般情況下 ()CEsatU =2~4V。 （ 4） IV區(qū)為擊穿區(qū)。當(dāng) GEU 為某個(gè)確定值時(shí)，增加 GEU 并達(dá)到 ()BRCEOU 后， CI 會(huì)突然增大，發(fā)生過電壓擊穿。此時(shí)的 ()BRCEOU 稱為 IGBT 的擊穿電壓。 IGBT 絕對(duì)不能用在此區(qū)域內(nèi)。 2）轉(zhuǎn)移特性 15kVA逆變電源設(shè)計(jì) 6 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖 23 所示。它表示在 GEU 不變的情況下， CI 與 GEU 的關(guān)系曲線。在 GEU 很小時(shí)， CI = CEOI 。隨著 GEU 的增加，在 GEU =()GEthU且繼續(xù)增加時(shí)， CI 呈線性增加而進(jìn)入放大區(qū)。我們把從截止區(qū)轉(zhuǎn)移到線性放大區(qū)的轉(zhuǎn)移點(diǎn)()GEthU稱為 GBTI 的柵極開啟電壓。一般情況下，()GEthU=3~5V。 圖 23 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性曲線 3)靜態(tài)開關(guān)特性 IGBT 的靜態(tài)開關(guān)特性曲線如圖 24 所示。 IGBT 的靜態(tài)開關(guān)特性實(shí)際上時(shí)表示 IGBT瞬間從導(dǎo)通（關(guān)斷）狀態(tài)轉(zhuǎn)換成關(guān)斷（導(dǎo)通）的情況，即瞬間 越過線性放大區(qū)的特性曲線。 圖 24 IGBT 的靜態(tài)開關(guān)特性曲線 動(dòng)態(tài)特性 前面講述的靜態(tài)特性，只表明了 IGBT 從一個(gè)穩(wěn)態(tài)變換到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的特性，從而沒有涉及狀態(tài)變換的過程。 IGBT 狀態(tài)變換過程的特性為其動(dòng)態(tài)特性。 IGBT 的動(dòng)態(tài)特性與其負(fù)載有關(guān)。因?yàn)?IGBT 用于逆變電路時(shí)的負(fù)載多半時(shí)感性 負(fù)載。 IGBT 的負(fù)載為感性時(shí)的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖 25 所示。 1）導(dǎo)通特性 15kVA逆變電源設(shè)計(jì) 7 一般情況下， IGBT 的柵極加有一個(gè)負(fù)偏壓以保證 IGBT 可靠地處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)柵極電壓 GEU 由這個(gè)負(fù)偏壓開始往正方向變化時(shí)，由于柵極電容有個(gè)充電過程，在經(jīng)過一段時(shí)間后， GEU 達(dá)到柵極開啟電壓()GEthU， IGBT 的集電極電流 CI 才有漏電流 CEOI 開始增加。這段時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間 dt 。再經(jīng)過一段時(shí)間 irt 后， CI 達(dá)到 CMI = LI (LI 為流經(jīng)感性負(fù)載的電流 )。 irt 稱為電流 上升時(shí)間。此時(shí)， GEU 開始下降，在 uft 時(shí)間內(nèi)下降到飽和電壓 ()GEsatU 。 uft 稱為電壓下降時(shí)間。 IGBT 的導(dǎo)通時(shí)間 ont 為 dt 、 irt 、 uft 之和，即 ont =dt +irt +uft 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 GEU ，當(dāng) GEU 向負(fù)方向變化時(shí)，由于柵極電容有個(gè)放電過程，在經(jīng)過一段時(shí)間后， GEU 減小到柵極開啟電壓 ()GEthU ，集電極電流開始下降。這段時(shí)間稱為存儲(chǔ)時(shí)間 st 。 st 過后 CI 開始從 CMI = CI 下降，由于感性負(fù)載的 /di dt 的作用， GEU 在上升過程中會(huì)產(chǎn)生電壓過沖 CPU ，這段時(shí)間稱為電壓上升時(shí)間 urt 。在 urt 過后， CI 繼續(xù)下降，最后達(dá)到 CEOI ，這段時(shí)間稱為電流下降時(shí)間 ift 。 IGBT 的關(guān)斷時(shí)間 offt 為 st 、 urt 、 ift 之和，即 offt =st +urt +ift 第二代 IGBT 的導(dǎo)通時(shí)間 ont =~ s? ，關(guān)斷時(shí)間 offt =~ s? ；第三代 IGBT 的ont 和 offt 則更小。 圖 25 IGBT 的負(fù)載為感性時(shí)的動(dòng)態(tài)特性曲線 15kVA逆變電源設(shè)計(jì) 8 高溫特性 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 200 C? 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 的爭先個(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 mU 控制，但當(dāng)集電極電流 CI 超過某一緩大值 CYI ,之后，柵極電壓 ceU 將失去控制作用。這是 IGBT 的一種特殊現(xiàn)象 ， 叫做擎住效應(yīng) .出現(xiàn)這種情況時(shí) CI 很大，導(dǎo)致器件損壞。由于 IGBT 關(guān)斷過程中還會(huì)出現(xiàn)所謂動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)，這時(shí)允許的 CI 值比靜態(tài)擎住時(shí)的值更小。因此器件給出的 CMI 通常按動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)來規(guī)定。 IGBT 經(jīng)常用于開關(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 23 所示，除 CMI 和集一射極最大允許電壓 CEMU 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)，對(duì)應(yīng) IGBT 的關(guān)斷狀態(tài) .與 FBSOA 相比，三條邊界中， CMI 和 CEMU 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，用來開通和關(guān)斷 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓 GEU 的正、負(fù)脈沖，應(yīng)以足夠陡的上升沿和下降沿，使 IGBT 開關(guān)時(shí)間短，開關(guān)損耗小 。 2） 由驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電壓 GEU 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)。 GEU 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選取。本系統(tǒng)中為 +15V。 3）在 關(guān)斷過程中，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 GEU ，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 過大或 IGBT 關(guān)斷過程中 /CEdU 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 gR ，以延長其關(guān)斷時(shí)15kVA逆變電源設(shè)計(jì) 9 間，減小 /CEdU 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 藕 進(jìn)行隔離。 6） IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng) 盡量 簡單實(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。 IGBT 的保護(hù) 在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、 /dudt 保護(hù)和 /di dt 保護(hù)也時(shí)必要的。 1） 過 電 壓保護(hù) IGBT 用于逆變電源時(shí)，其負(fù)載均為感性。當(dāng) IGBT 處于開關(guān)過程中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓，幅值過大或持續(xù)時(shí)間較長的浪涌電壓會(huì)損壞 IGBT。為保護(hù) IGBT，除盡量減小感性負(fù)載的漏感和分布電感外，還應(yīng)考慮采用過壓抑制電路對(duì) IGBT 進(jìn)行過壓保護(hù)。 2） 過 電流 保護(hù) IGBT 耐受過電流的能力很有限。這種能力通常用在一定條件下 IGBT 耐受過電流而不損壞的時(shí)間 1t 來表征。所謂過流保護(hù)，就是指用一定的保護(hù)措施使過電流的持續(xù)時(shí)間小于 wt 。 引起 IGBT 短路的主要原因有四鐘情況 ： 橋臂上一個(gè) IGBT 管或二極管損壞，引起直通短路 ； 橋臂上兩個(gè)管子都損壞引起橋臂短路 ； 接線錯(cuò)誤引起輸出短路 。還有接線錯(cuò)誤或絕緣損壞引起負(fù)載對(duì)地短路。所有這些短路情況都應(yīng)加以保護(hù)。在相同的電源電壓和門極電壓下，耐受短路的時(shí)間以直通短路為最短，橋劈短路和輸出短路為最長，所以任何一種短路現(xiàn)象都可以按直通短路處理來設(shè)計(jì)短路保護(hù)。 IGBT 的短路耐受能力與柵極電壓 GEU 有關(guān)。 GEU 越小，短路耐受能力就越強(qiáng)。 一般來說，飽和壓降 2V 左右的 IGBT 的短路耐受能力僅有幾微