【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 完成。大部分高頻開關(guān)工作的逆變器都使用濾波器來(lái)獲得接近基準(zhǔn)的理想輸出。逆變器對(duì)輸出濾波的要求呈低通特性，盡可能不影響需要的頻率成分的幅值，相位。此外的諧波成分要盡量衰減 ，理論上應(yīng)與逆變器的其他部分一樣不損耗能量等等。顯然，滿足上面要求的最簡(jiǎn)單的濾波器結(jié)構(gòu)是 LC二階低通濾波器，如圖 。 以純電阻負(fù)載為例，容易得到起傳遞函數(shù)為： W(S)=112 ?? SRLLCS （ ） 濾波器特征阻抗為： 孫作瀟：由單片機(jī)控制的單極性的單極性輸出逆變電路 10 Z=CL （ ） 諧振角頻率為： LC10 ?? （ ） 諧振頻率為： LCf ?2 10 ? （ ） 品質(zhì)因數(shù)定義為： Q=ZR （ ） 那么濾波器與電阻負(fù)載的傳遞函數(shù)為： W(S)=202220????? sQs （ ） 從式 頻率特性以及相位 頻率特性，在品質(zhì)因數(shù)不是特別低的情況下，以諧振角頻率為轉(zhuǎn)折頻率，對(duì)于角頻率遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)折頻率的輸入信號(hào)， 濾波器對(duì)其幅度的增益為 0dB，也就是不衰減也不放大，濾波后其相位移為零；對(duì)于頻率遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)折頻率的輸入信號(hào)，濾波器按 — 40dB每十倍頻（相對(duì)轉(zhuǎn)折頻率）進(jìn)行幅度衰減，并且相移約一百八十度即基本上反相。所以，為了活的好的濾波性能，一般需要濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)大于輸出基波頻率，同時(shí)遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率。負(fù)載電阻也可以看成是多濾波原件 LC 諧振的并聯(lián)阻尼，負(fù)載越重負(fù)載電阻越小，品質(zhì)因數(shù)越低，阻尼越大，在輸出負(fù)載很小甚至空載的情況下，在諧振轉(zhuǎn)折頻率附近頻率的輸入型號(hào)都會(huì)得到一個(gè)大的增益，當(dāng)轉(zhuǎn)折頻率過(guò)于接近輸出需要的最高頻率分量或者開關(guān)頻率時(shí)，都容易引起控制的不穩(wěn)定性。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IGBT 的簡(jiǎn)單介紹 IGBT是 MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有 MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于 MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十 kHz頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 IGBT 是電壓控制型器件，在它的柵極 — 發(fā)射極間施加十幾 V 的直流電壓，只有μ A級(jí)的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。但 IGBT 的柵極 — 發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬(wàn) pF），在驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù) A 的充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必 須輸出一定的峰值電流。 IGBT作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過(guò)流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問(wèn)題。在過(guò)流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過(guò)高的電流變化率會(huì)引起過(guò)電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好 IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分必要的。 IGBT 的靜態(tài)特性 IGBT是一種電壓控制型器件，通過(guò)改變柵極 G和發(fā)射極 E之間的電壓來(lái)控制集電極電流 I的大小，柵極也沒(méi)有電流，不可能有類似普通雙極性晶體管的輸入特性，反映控制特性曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖（ ）所示。柵極 發(fā)射極之間的電壓較小時(shí)沒(méi)有集電極電流；當(dāng)它們之間的電壓達(dá)到開啟電壓時(shí)，開始出現(xiàn)集電極電流，隨著柵極 發(fā)射極之間的電壓的增加，集電極電流也開始增大。因此， IGBT也是一個(gè)電壓控制型器件。這一點(diǎn)和 MOSFET類似。 圖 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性 transfer characteristics of IGBT 孫作瀟：由單片機(jī)控制的單極性的單極性輸出逆變電路 12 圖 IGBT 的輸出特性曲線 IGBT output characteristic curve 反映集電極電流與集電極 發(fā)射極間電壓關(guān)系的曲線為輸出特性曲線，是以曲線族，如果 。曲 線族中每條曲線由一個(gè)固定的電壓值所確定。在這個(gè)電壓值很小時(shí)，電流隨著電壓的增加而迅速上升，這個(gè)區(qū)域稱為線性導(dǎo)電區(qū)。當(dāng) Uce增大到一定的值，Ic 不再跟隨 Uce 的變化而基本保持恒定，該區(qū)域稱為恒流飽和區(qū)；如果繼續(xù)增大 Uce的值，使電壓超過(guò)了期間所承受能力。則曲線進(jìn)入擊穿區(qū)。電流增大，如圖 彎曲部分。 IGBT 的動(dòng)態(tài)特性 IGBT在開通和關(guān)斷過(guò)程中集電極電流 Ic與柵極電壓也存在著一定的延時(shí)。從柵極 發(fā)射極之間電壓 Uce上升到穩(wěn)態(tài)電壓值的百分之十到集電極電流上升到穩(wěn)態(tài)值電流的百分之十對(duì)應(yīng)的時(shí) 間稱為開通延遲時(shí)間 Td。這段延遲時(shí)間的產(chǎn)生機(jī)制與 MOSFET 相似。從Ic 上升到到穩(wěn)態(tài)值的百分之十到百分之九十所對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為上升時(shí)間 Tr。整個(gè)開通過(guò)程對(duì)應(yīng)的時(shí)間為開通時(shí)間 Ton， Ton=Td+Tr。 欲使 IGBT 關(guān)斷，需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的電壓下降到零或者負(fù)值，但由于 GE 之間輸入電容的作用， GE 之間的電壓 Uce 不能突跳而是逐漸下降，下降到一定程度時(shí)集電極電流才開始下降。把從 Uce 下降到原來(lái)的百分之九十到 Ic 下降到穩(wěn)態(tài)值的百分之九十所對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為關(guān)斷延遲時(shí)間 Ts； Ic 從穩(wěn)態(tài)值的百分之九十下降到穩(wěn)態(tài)值的百分之十對(duì)應(yīng)的時(shí)間稱為下降時(shí)間 Tf。關(guān)斷時(shí)間 Toff=Ts+Tf。 場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng) 對(duì)于場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng)，由于柵極和源極之間是絕緣的，所以在期間導(dǎo)通和關(guān)斷的穩(wěn)定狀態(tài)都不可能出現(xiàn)柵極電流，需要的僅僅是一個(gè)柵極電壓。但是期間的各個(gè)電極之間都存在這電容，從驅(qū)動(dòng)的輸入端看相當(dāng)于一個(gè)電容網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電壓的變化將影響電容充放電電流。充放電時(shí)間常數(shù)影響柵極電壓變化的速率，進(jìn)而影響期間的開關(guān)速度，時(shí)間常數(shù)越大，充放電時(shí)間就越長(zhǎng)。為了減少時(shí)間常數(shù)，要求驅(qū)動(dòng)回路的電阻盡可能的山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 小。這里應(yīng)當(dāng)注意的是：欲使場(chǎng)控器件關(guān)斷必須為柵極 源極之間提供放電電路或者在柵極源極之間加反電壓，不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為撤掉柵極 源極之間的正向驅(qū)動(dòng)電壓而使他們之間開路。 單管驅(qū)動(dòng)電路 圖 ， Us為驅(qū)動(dòng)信號(hào)源。 Us為正時(shí)晶體管 VT導(dǎo)通，其發(fā)射極電流為被驅(qū)動(dòng)的 MOSFET的輸入電容充電，是柵極電位迅速上升， MOSFET開通。Us為 0時(shí) VT截止， MOSFET 柵極 源極之間儲(chǔ)存的電荷經(jīng)過(guò) VD和信號(hào)源放電，使 MOSFET關(guān)斷。 圖 單管驅(qū)動(dòng)電路 single tube driving circuit 推挽式驅(qū)動(dòng)電路 圖 ，當(dāng) Us為正時(shí)晶體管 VT1導(dǎo)通 VT2截至， VT1發(fā)射極電流為被驅(qū)動(dòng)的 MOSFET的輸入電容充電， MOSFET開通。 Us為 0時(shí)晶體管 VT2 導(dǎo)通 VT1截止，MOSFET的輸入電容存儲(chǔ)的電荷通過(guò) VT2迅速釋放，使 MOSFET關(guān)斷。 孫作瀟：由單片機(jī)控制的單極性的單極性輸出逆變電路 14 V C CM O S F E TV T 1V T 2U sR 圖 推挽式驅(qū)動(dòng)電路 pushpull driving circuit 磁耦合驅(qū)動(dòng)電路 在有些場(chǎng)合，需要在驅(qū)動(dòng)電路和主電路之間實(shí)行電氣隔離，如多個(gè)電力電子 器件組成橋式連接時(shí)，控制電路共地而各個(gè)橋臂開通器件的電位各不相等，電氣隔離是必需的。隔離的方法多采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合或者通過(guò)光電器件實(shí)現(xiàn)光電耦合。圖 種簡(jiǎn)單的磁耦合驅(qū)動(dòng)電路。晶體管 VT 導(dǎo)通時(shí)脈沖變壓器初級(jí)線圈中的電流上升，使得次級(jí)線圈感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓。該電壓通過(guò)二極管 VD1 為 MOSFET 的輸入電容充電，使 MOSFET 導(dǎo)通。 VT 關(guān)斷時(shí)脈沖變壓器的初級(jí)線圈中的電流下降，次級(jí)線圈中感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，使 MOSFET 的輸入電容反相充電，柵極 源極之間的電壓由正變負(fù)， MOSFET關(guān)斷。圖 VD2為續(xù)流二極管，為晶體管關(guān)斷后線圈中的電流提供通路。該二極管的導(dǎo)通壓降很小，會(huì)使線圈電流經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間才能衰減到零。為加快電流的衰減速度，可在續(xù)流回路中串聯(lián)一個(gè)大小合適的電阻或者一定數(shù)值的穩(wěn)壓管。做上述處理后，電流的衰減速度會(huì)加快，在次級(jí)線圈中感應(yīng)電流電壓也會(huì)加大。能夠縮短 MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間。 山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 V C C +V D 2V D 1V TR 1R 2M O S F E T 圖 簡(jiǎn)單的磁耦合驅(qū)動(dòng)電路 simple magic coupling driving circuit 場(chǎng)控元器件的柵極 保護(hù) 一般來(lái)說(shuō)場(chǎng)控元器件的柵極有一層氧化物絕緣層，所以柵極 源極之間有很高的輸入電阻，而這一絕緣層有很是脆弱的，只能承受幾十伏的電壓。由于絕緣性能好，柵極所聚集的靜電沒(méi)有釋放的途徑，長(zhǎng)期積累可能產(chǎn)生較高的電壓而使絕緣層擊穿而損害期間。所以必須對(duì)場(chǎng)控元器件的柵極 源極之間采取專門的保護(hù)措施。其方法是：（ 1）柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓不超過(guò)正負(fù) 20伏；（ 2）在柵極和源極之間并聯(lián)一定數(shù)量的電阻，為聚集的靜電電荷提供釋放通路。（ 3）在柵極和源極之間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管支路，該支路有兩個(gè)反相串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管組成，其穩(wěn)壓值分 別限制柵 源之間的正向電壓和反相電壓。（ 4）在存儲(chǔ)和運(yùn)輸時(shí)將場(chǎng)控元器件置于金屬或其他導(dǎo)電材料制成的容器中或?qū)⑵骷囊_短路，防止靜電的產(chǎn)生和積累。 IR2110 驅(qū)動(dòng)器 IR2110是美國(guó)國(guó)際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及無(wú)門鎖 CMOS 技術(shù)，于 1990 年前后開發(fā)并投放市場(chǎng)的大功率 MOSFET 和 IGBT 專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。該電路芯片體積小 (DIP1SOIC16)，集成度高 (可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路 )，響應(yīng)快 ( ton /tof = 120/94 n s )，偏值電壓高 ( 600 V )，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，而且其成本低，易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源路數(shù)目較其他 IC 驅(qū)動(dòng)大大減小。對(duì)于發(fā)射機(jī)的 4 管構(gòu)成的全橋電路 ,采用 2片 IR2110 驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)橋?qū)O作瀟：由單片機(jī)控制的單極性的單極性輸出逆變電路 16 臂，僅需要一路 10 一 20V 電源，從而大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目 , 降低了產(chǎn)品成本 , 提高了系統(tǒng)的可靠性。 IR2110 引腳介紹 圖 為 IR2110 芯片。 圖 IR2110 IR2110 LO（引腳 1）低端輸出 COM（引腳 2）公共端 VCC（引腳 3）低端固定電源電壓 引腳 14為空段，圖未標(biāo)出。 VS（引腳 5）高端浮置電源偏移電壓 VB（引腳 6）高端浮置電源電壓 HU（引腳 7）高端輸出 VDD（引腳 9）邏輯電源電壓 HIV（引腳 10）邏輯高端輸入 SD（引腳 11）關(guān)斷 LIN（引腳 12）邏輯低端輸入 VSS（引腳 13）邏輯電路地電位端，其值可以為 0V IR2110的特點(diǎn)： （ 1）具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。 （ 2）懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電源可達(dá) 500V。 （ 3）輸出的電源端（引腳 3）的電壓范圍是 10V— 20V。 （ 4）邏輯電源的輸入范圍（引腳 9） 5— 15 V，可方便的與 TTL， CMOS 電平相匹配山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 而且邏輯電源和功率電源地之間允許有 V的偏移量。 （ 5）工作頻率高，可達(dá) 500KHz。 （ 6）開通，關(guān)斷延遲小，分別為 120ns和 94ns。 （ 7）圖騰柱輸出峰值電流 2A. IR2110 工作原理 圖 為 IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 123567V M 1V M 2V M 3V M 4R 1R 2S 1S 2V HV C CV D 1C 1C 2 ++ I R 2 1 1 0 內(nèi) 部 圖 IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu) IR2110 internal structure IR2110內(nèi)部功能有三部分組成：邏輯輸入；電平平移以及輸出保護(hù)。如上所述 IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制。 圖 為 IR2110 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中 C1， VD1 分別為自舉電容和自舉二極管， C2 為VCC的濾波電容。假定在 S1關(guān)斷期間 C1已經(jīng)充到足夠的電壓。當(dāng) HIV為高電平時(shí)， VM1開通， VM2關(guān)斷， VC1加到 S1的柵極和源極之間， C1通過(guò) VM1， R1和柵極和源極行程回路放電，這時(shí) C1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使 S1導(dǎo)通。由于 LIN和 HIV 是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所以此時(shí) LIN 為低電平， VM3關(guān)斷， VM4 導(dǎo)通，這時(shí)聚集在 S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò) R2迅速對(duì)外放電，由于死區(qū)時(shí)間影響使 S2在 S1開通之前迅速關(guān)斷。當(dāng) HIV為低電平時(shí)， VM1 關(guān)斷， VM2導(dǎo)通，這事聚集在 S1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò) R1 迅速放電使