【文章內(nèi)容簡介】 第四章 系統(tǒng)主電路 設(shè)計 主電路 本設(shè)計整流電路由不可控的二極管三相橋式整流橋組成 ,采用功率晶體管 GTR 組成的直流 PWM功率變換器。三相交流電源經(jīng)三相橋式不可控整流器變換為電壓恒定的直流電源 ,再經(jīng)直流 PWM 功率變換器得到可調(diào)的直流電壓 ,給直流電動機供電。主電路如圖33 所示 從圖中可以看出， 380V 電壓經(jīng)過六個二極管的全波整流，變?yōu)橹绷鳌２捎么蠊β孰娙?C濾波，以獲得恒定的直流電壓 Us。由于電容容量過大，突加電源時相當(dāng)于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損 壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串加限流電阻 0R （或者電抗），合上電源以后，延時開關(guān)將 0R 短路，以免在運行中造成附加損耗。 對于 PWM 變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電動機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作 “ 泵升電壓 ” 。鍵入假設(shè)電壓由Us 提高到 Usm，則電容儲能由 212sCU 增加到 212smCU ，儲能的增量應(yīng)該等于運動控制系統(tǒng)在制動時釋放的全部動能 dA ，于是 221122sm s dCU CU A?? （ ） 按制動儲能要求選擇的電容量為 222 dsm sAC UU? ? （ ） 電力電子器件的耐壓極限限制著最高泵升電壓 Usm，因此電容量不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達到數(shù)千微法。 V D 4 V D 2V D 6V D 3 V D 5V D 1R3C118 u FPN SSSRSTC218 u FC318 u FR1 9. 2 KR29. 2 K 5. 8 m HV D 7R41KC418 u FV D 8 R51KC518 u FV D 9 R61KC618 u FV D 10 R71KB HLM+ 12 V 12 VV2I G B TV1I G B TV4I G B TV3I G B TV1V2V4V3 圖 單片機控制 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)主電路圖 (1)IGBT 模塊簡介 IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管 )的縮寫， IGBT是由 MOSFET 和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為 MOSFET，輸出極為 PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有 MOSFET 器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，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)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 若在 IGBT 的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則 MOSFET 導(dǎo)通，這樣 PNP 晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若 IGBT 的柵極和發(fā)射極之間電壓為 0V，則 MOS 截止，切斷 PNP 晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。 IGBT 與 MOSFET一樣也是電壓控 制型器件，在它的柵極 — 發(fā)射極間施加十幾 V的直流電壓，只有在 uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。 IGBT 模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng) IGBT 模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用 IGBT 模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。 由于 IGBT 模塊為 MOSFET 結(jié)構(gòu)， IGBT 的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電 壓一般達到 20～ 30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是 IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點： 在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以 減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 此外，在柵極 — 發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使 IGBT 發(fā)熱及至損壞。 在使用 IGBT 的場合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時 (柵極處于開路狀態(tài) )，若在主回路上加上電壓，則 IGBT 就會損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只 10KΩ 左右的電阻。 在安裝或更換 IGBT 模塊時，應(yīng)十分重視 IGBT 模塊與散熱 片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與 IGBT 模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致 IGBT 模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進行檢查，一般在散熱片上靠近 IGBT 模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時將報警或停止 IGBT 模塊工作。 一般保存 IGBT 模塊的場所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5～ 35℃ ，常濕的規(guī)定在 45～ 75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機加濕 。 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在 溫度發(fā)生急劇變化的場所 IGBT 模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此 IGBT 模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時，須注意不要在 IGBT 模塊上堆放重物； 裝 IGBT 模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。 IGBT 模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉 IGBT 模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應(yīng)用是十分必要的。 IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類： （ 2） 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 IGBT 的伏安特性 是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控制， Ugs 越高， Id 越大。它與 GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū) 2 和擊穿特性 3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由 J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1結(jié)承擔(dān)。如果無 N+ 緩沖區(qū)，則正反向 阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些應(yīng)用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th) 時， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為 15V 左右。 IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B 值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為 ～ 1V ； Udr —— 擴展電阻 Rdr 上的壓降； Roh —— 溝道電阻。 通態(tài)電流 Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中 Imos —— 流過 MOSFET 的電流。 由于 N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V 的 IGBT 通態(tài)壓降為 2 ～ 3V 。 IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。 （ 3） 動態(tài)特性 IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為 MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓 Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。 td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由 tfe1 和 tfe2 組成。 IGBT 的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷 的要求、耐固性要求和電源的情況。因為 IGBT 柵極 發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于 IGBT 的輸入電容較 MOSFET為大，故 IGBT 的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多 MOSFET 驅(qū)動電路提供的偏壓更高。 IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗?MOSFET 關(guān)斷后， PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off)為關(guān)斷延遲時間，trv 為電壓 Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間 Tf 由圖中的 t(f1)和 t(f2)兩段組成，而漏極電流 的關(guān)斷時間 t(off)=td(off)+trv 十 t(f) 式中， td(off)與 trv 之和又稱為存儲時間。 IGBT 的開關(guān)速度低于 MOSFET，但明顯高于 GTR。 IGBT 在關(guān)斷時不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。 IGBT 的開啟電壓約3～ 4V，和 MOSFET 相當(dāng)。 IGBT 導(dǎo)通時的飽和壓降比 MOSFET 低而和 GTR 接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 （ 4） 光電隔離及驅(qū)動電路設(shè)計 由于輸出的 PWM 控制信號功率很小無法直接驅(qū)動 IGBT，要經(jīng)過脈沖功率放大后才能驅(qū) 動 IGBT。脈沖功率放大電路選用模塊 EX359，其電源電壓為 12V，輸入信號4~5V，輸出電壓 （對應(yīng) IGBT 導(dǎo)通）和 2V（對應(yīng) IGBT 關(guān)斷），工作頻率為 2~5kHz，可驅(qū)動 50A 以下的逆變器，其內(nèi)部電路如圖 35 所示。 U5O P T O I S O 1D1D I O D EC1C A PR1R E S 2U1NOTC T R L A+ 5VR4R E S 2R5R E S 2R2R E S 2R3R E S 2R6R E S 2R8R E S 2R9R E S 2R7R E S 2Q1N P NQ2N P NQ3N P ND2D I O D EC5C A P A C I T O R+ 5V 圖 35 光電隔離及驅(qū)動電路 圖 X359 是一個帶有光電隔離器的功率放大電路，電路工作原理如下： 當(dāng) VT 1 為“ 1”時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，于是 VT1 與復(fù)合管 VT 2 導(dǎo)通 .VT1 導(dǎo)通使復(fù)合管 VT 3 截止， +5V電源通過 VT 2 和 Rf 輸出一驅(qū)動電流，使 GTR 導(dǎo)通。當(dāng) Vi 變?yōu)椤?0”時，發(fā)光二極管截止，光敏三極管截止，于是 VT 1 VT 2放電，給 IGBT 提供一個 2V左右的反向偏壓，使快速可靠的截止。 參數(shù)計算和元件選擇 （ 1）大功率開關(guān)管的計算 PWM 調(diào)速方法的直流利用率約為 ，即 1 dUU ? ， 輸出 380V 的線 電壓，要求直流側(cè)電源電壓 380 4 1 0 .40 .9 2 6dUV??. （ ） 考慮到大功率 絕緣柵雙極型晶體管 的管壓降等，取 dU =450V，則大功率 絕緣柵雙極型晶體管 的參數(shù)為 ? ? ? ?2 ~ 3 9 0 0 ~ 1 3 5 0dB R c e oU U V?? （ ） ? ? ? ?2 ~ 3 2 ~ 3 15 7. 5 31 5 ~ 47 2. 5CM CI I A? ? ? （ ） （ 2）三相整流橋 電壓估算 整流橋輸入側(cè)相電壓為2 ?? 直流側(cè)電壓值可估算如下： 取電動機功率為 ，則電動機的輸入功率 30000