【文章內(nèi)容簡介】 ，在電動機減速過程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過快時，電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，和的作用就是消耗掉這部分能量。，當(dāng)直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。選用逆變開關(guān)管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻，電容，二極管組成緩沖電路，來保護逆變管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時，迅速上升，迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來減小電壓增長率。當(dāng)逆變管開通時，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻，限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變管關(guān)斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，通過電阻放電，實現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設(shè)計所選用的電動機為中容量型，在此選用此種緩沖電路。 變頻器主電路設(shè)計的基本工作原理整流電路是把交流電變換為直流電的電路。本設(shè)計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1，由于整流電路原理比較簡單，設(shè)計中不再做詳細的介紹[5]。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器，它是變頻器的主要組成部分，電壓性逆變器的工作原理如下：（1）單相逆變電路：當(dāng)、同時閉合時，電壓為正；、同時閉合時，電壓為負。由于開關(guān)～的輪番通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開關(guān)如：、交替導(dǎo)通，每個開關(guān)導(dǎo)通電角度。因此交流電的周期（頻率）可以通過改變開關(guān)通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。 單相逆變器原理圖（2）三相逆變電路。圖33中，～組成了橋式逆變電路，這6個開關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。當(dāng)、閉合時，為正；、閉合時，為負。用同樣的方法得：當(dāng)、同時閉合和、同時閉合，得到,同時閉合和、同時閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差；各開關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律。根據(jù)該規(guī)律可得、 所示。a) 結(jié)構(gòu)圖 b) 開關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖 三相逆變器原理圖觀察6個開關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點：①各橋臂上的開關(guān)始終處于交替打開、關(guān)斷的狀態(tài)如、。②各相的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差電角度。如比,滯后，比滯后。上述分析說明，通過6個開關(guān)的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過的大小來調(diào)節(jié)。 主電路參數(shù)計算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計算如下[6]：（峰值電流）= ==（有效值）= =二極管額定電流值=（～2）Id/=～額定電壓值=（2～3）=（2～3）380=～系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=380=。制動電阻粗略計算為～=～擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時，根據(jù)經(jīng)驗值選1000V。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來計算：=2峰值電壓=（2～）380=～集電極電流=（～2）=（～2）λ=～集電極發(fā)射極額定電壓≥== IGBT及驅(qū)動模塊介紹 IGBT簡介及驅(qū)動要求絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)是80年代初功率半導(dǎo)體器件技術(shù)與MOS工藝技術(shù)相結(jié)合研制出的一種復(fù)合型器件。眾所周知，構(gòu)成IGBT的MOSFET和BJT各有其優(yōu)缺點。MOSFET屬于單極型器件，具有開關(guān)頻率高、沒有二次擊穿現(xiàn)象、元件并聯(lián)運行容易、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導(dǎo)通電阻大，耐壓水平不容易提高。BJT屬于雙極型器件，具有耐壓水平高、電流大、導(dǎo)通電壓低的優(yōu)點，缺點是開關(guān)時間長，有二次擊穿現(xiàn)象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJT優(yōu)點的新型復(fù)合器件IGBT應(yīng)運而生，IGBT具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等優(yōu)點。并且，隨著IGBT技術(shù)的發(fā)展，其性能不斷得到改善和提高，使得IGBT在大功率開關(guān)電源設(shè)備中的地位越來越重要，如UPS、電焊機、電機驅(qū)動、特種工業(yè)電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設(shè)備中所占成本比例較高，所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法，盡量減少IGBT模塊的損壞以降低開發(fā)成本和提高整機可靠性，、工作原理、主要參數(shù)、特性等在電力電子書本里已經(jīng)有詳細介紹，在這里不在贅述[7]。IGBT是壓控器件，柵極輸入阻抗高，所需要驅(qū)動功率小，驅(qū)動較為容易。但必須注意，IGBT的特性與柵極驅(qū)動條件密切相關(guān)，隨驅(qū)動條件的變化而變化。(1)隨著柵極正向電壓的增加，通態(tài)壓降減小，通態(tài)壓降隨集電極電流增大而增大，開通損耗隨結(jié)溫升高而增大。(2)隨著柵極反向電壓的增加，集電極浪涌電流減小，而關(guān)斷損耗變化不大，IGBT的運行可靠性提高。(3)隨著柵極串聯(lián)電阻增加，將使IGBT的開通和關(guān)斷時間增加，從而使IGBT開關(guān)損耗增加；而減小，則又將使增大，從而使IGBT在開關(guān)過程中產(chǎn)生較大的電壓或電流尖峰，降低IGBT運行的安全性和可靠性。通過以上分析可以看出，一個理想的IGBT驅(qū)動電路應(yīng)具有以下基本性能:(1)通常IGBT的柵極電壓最大額定值為20V，若超過此值，柵極就會被擊穿，導(dǎo)致器件損壞。為防止柵極過壓，可采用穩(wěn)壓管作保護。(2)～6V(T=25C)的柵極開啟電壓，驅(qū)動信號低于此開啟電壓時，器件是不導(dǎo)通的。要使器件導(dǎo)通，驅(qū)動信號必須大于其開啟電壓。當(dāng)要求IGBT工作于開關(guān)狀態(tài)時，驅(qū)動信號必須保證使器件工作于飽和狀態(tài)，否則也會造成器件損壞。正向柵極驅(qū)動電壓幅值的選取應(yīng)同時考慮在額定運行條件下和一定過載情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態(tài)壓降越小，通態(tài)損耗也就越小。對無短路保護的驅(qū)動電路而言，驅(qū)動電壓高一些有好處，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態(tài)。通常，正向柵極電壓取15V。在有短路保護的場合，不希望器件工作于過飽和狀態(tài)，因為驅(qū)動電壓小一些，可減小短路電流，對短路保護有好處。此時，柵極電壓可取為13V。另外，為減小開通損耗，要求柵極驅(qū)動信號的前沿要陡。IGBT的柵極等效為一電容負載，所以驅(qū)動信號源的內(nèi)阻要小。(3)當(dāng)柵極信號低于其開啟電壓時，IGBT就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時間，關(guān)斷過程中應(yīng)盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關(guān)斷時，驅(qū)動電路應(yīng)提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為(5～0)V。當(dāng)IGBT關(guān)斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。(4)IGBT柵極與發(fā)射極之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅(qū)動電路需要提供動態(tài)驅(qū)動電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當(dāng)IGBT高頻運行時，柵極驅(qū)動電流和驅(qū)動功率也是不小的，因此，驅(qū)動電路必須能提供足夠的驅(qū)動電流和功率。(5)IGBT是高速開關(guān)器件，在大電流的運行場合，關(guān)斷時間不宜過短，否則會產(chǎn)生過高的集電極尖峰電壓。柵極電阻對IGBT的開關(guān)時間有直接的影響。柵極電阻過小，關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全區(qū)的限制。柵極電阻過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關(guān)損耗的限制。對600VIGBT器件，柵極電阻可據(jù)下式確定：=(I～10)625/式中，為IGBT的額定電流值. 柵極電阻的下限取系數(shù)為1，限取系數(shù)為10。對于1200V的IGBT器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的600V器件阻值的一半。(6)驅(qū)動電路和控制電路之間應(yīng)隔離。在許多設(shè)備中，IGBT與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。驅(qū)動電路具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應(yīng)噪聲的影響。采用光耦器件隔離時，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高電壓變化率。(7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后，另一方面能提高保護的快速性。(8)電路簡單，成本低。(9)當(dāng)IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵極電壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過離的。在雜散電感的作用下，過高的會產(chǎn)生過高的電壓尖峰，使IGBT承受不住而損壞。同樣的，驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響，即應(yīng)具有定時邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過流時，無論此時有無輸入信號，二極管的反向恢復(fù)、分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會在IGBT開通時造成尖峰電流，驅(qū)動電路應(yīng)具備抑制這一瞬時過流的能力，在尖峰電流過后，應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓，保證電路的正常工作。(10)在出現(xiàn)短路、過流的情況下，能迅速發(fā)出過流保護信號，供控制電路處理。 EXB840的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于以上的驅(qū)動要求，在設(shè)計中采用EXB840,它是一種高速驅(qū)動集成電路,最高使用頻率為40KHz驅(qū)動150A/600V或者75A/1200V的IGBT,采用單電源20V供電。它主要由輸入隔離電路，驅(qū)動放大電路,過流檢測急保護電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成,可隔離交流2500V的信號。過流檢測及保護電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動電平和集電極電壓之間的關(guān)系,檢測是否有過電流現(xiàn)象存在,如果有過電流,保護電路將迅速關(guān)斷IGBT,防止過快的關(guān)斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢升高,使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開柵電壓和5V的關(guān)柵電壓。EXB840引腳定義如下:引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容,引腳2和9分別是電源和地,引腳3為驅(qū)動輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流保護誤動作(一般場合不需要這個電容),引腳5為過流保護輸出,引腳6為集電極電壓監(jiān)視端,引腳14和15為驅(qū)動信號輸入端,其余引腳不用。 EXB840的引腳圖 采用EXB840的IGBT驅(qū)動電路[8]。其中ERA3410是快速恢復(fù)二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應(yīng)該用雙絞線,長度應(yīng)該小于1m,以防止干擾,如果IGBT的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖,可增加IGBT的柵極電阻。 EXB840組成的驅(qū)動電路4 控制回路設(shè)計控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路，其主要任務(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設(shè)計中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點是它采用簡單的硬件電路，主要依靠軟件來完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現(xiàn)的功能。設(shè)計控制電路如下： 驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動信號。主電路逆變電路設(shè)計中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計中所選用能產(chǎn)生SPWM波芯片SA4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。 SPWM調(diào)制技術(shù)簡介脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)是利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，實現(xiàn)變壓、變頻控制并消除諧波的技術(shù)。脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，對現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進作用。近幾年來。由于場控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)。相應(yīng)高頻SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)在電機調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用，不僅能及時、準(zhǔn)確地實現(xiàn)變壓變頻控制技術(shù)，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電機的工作效率，擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。實際工程中目前主要采用的PWM技術(shù)是正弦PWM(SPWM)，這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。根據(jù)電機學(xué)原理，交流異步電動機變頻調(diào)速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應(yīng)改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴(yán)重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。為減小輸出信號中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM調(diào)制波。脈寬調(diào)制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形(含形狀和幅值)。在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規(guī)律變化。當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最?。划?dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制[9]。產(chǎn)生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為調(diào)制波)進行比較，兩波形的交點作為逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷時間。當(dāng)調(diào)制波的幅值大于載波的幅值時，開關(guān)器件導(dǎo)通，當(dāng)調(diào)制波的幅值小于載波的幅值時，開關(guān)器件關(guān)斷。雖然正弦脈寬調(diào)制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調(diào)制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關(guān)管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達30KHz，用IGBT作為逆變開關(guān)管，載波頻率可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調(diào)制波更接近正弦波?？捎赡M電路分別產(chǎn)生等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即