【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)的集成電路的比較，把逆變單元 IGBT 的驅(qū)動(dòng)和主電路電流的檢測(cè)分 別由不同的電路來(lái)完成，既可以提高逆變器的性能，又可以提高 IGBT的工作效率，使得 IGBT 更好地在安全工作區(qū)工作。因此，本設(shè)計(jì)采用了富士公司生產(chǎn)的 EXB8 系列的 EXB841 驅(qū)動(dòng)集成芯片。 EXB841 集成芯片是專用于 IGBT 的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能域一體的復(fù)合集成電路， EXB841 屬于高速型，可以驅(qū)動(dòng) 400A、 600V的功率 IGBT 模塊，驅(qū)動(dòng)電路中的信號(hào)延遲 ≤，具有以下特點(diǎn)： (1)可用于達(dá)到 40kHz 開(kāi)關(guān)頻率工作的 IGBT。 (2)內(nèi)置的光耦可隔離高達(dá) 2500V/min 的電壓 。 (3)單電源的供電電壓使 其應(yīng)用起來(lái)更為方便 。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 (4)內(nèi)置的過(guò)流保護(hù)功能使得 IGBT 能夠 更加安全地工作 。 (5)具有 過(guò)流檢測(cè)輸出信號(hào) 。 (6)單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式 [7]。 圖 210 EXB841 封裝引腳圖 如圖 210 所示， EXB841 為單列直插厚膜封裝，有 15 個(gè)外部引腳 (引腳 12 和 13為空 )。 引腳名稱及功能詳見(jiàn)表 21。 表 21 管腳名稱類型 及 功能說(shuō)明 引腳號(hào) 名稱 功能或用法 1 驅(qū)動(dòng)脈沖輸出相對(duì)地端 使用中接被驅(qū)動(dòng)的 IGBT 發(fā)射極 2 輸出功率放大級(jí)電源連接端 使用中接用戶提供的 +20V 電 源 3 驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端 接被驅(qū)動(dòng)的 IGBT 的柵極 11 空端 使用中懸空 5 過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)輸出端 接用戶外接報(bào)警光耦合 器一次側(cè)二極管的陰極 6 過(guò)電流保護(hù)取樣信號(hào)連接端 通過(guò)一個(gè)快恢復(fù)二極管接被動(dòng)的 IGBT 集電極 9 驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)電源地端 接 +20V 電源地端，該地應(yīng)與引腳 14 與 15 脈沖的參考地端電位隔離 14 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入連接負(fù)端 接用戶脈沖形成部分的地 (或脈沖形成部分的輸出端 ) 15 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入連接正端 通過(guò)一個(gè)電阻接用戶脈沖形成部分的脈沖輸出端(或脈沖形成部分的正電 源 ) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 211 EXB841內(nèi)部功能框圖 如圖 211所示， EXB841的內(nèi)部功能模塊主要分為以下幾部分： (1)信號(hào)隔離電路：在驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入腳 (引腳 14和 15)之間，有一個(gè)高隔離電壓的光耦合器，可以承受 2500V/min的故障電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路端發(fā)生故障擊穿時(shí)，與之連接的控制電路由于光耦合器的隔離作用而不會(huì)損壞。 (2)過(guò) 流保護(hù)電路：過(guò)流保護(hù)電路分為兩塊：過(guò)流檢測(cè)電路和過(guò)流軟關(guān)斷電路。過(guò)流檢測(cè)電路： IGBT僅能抵抗 10181。s的短路過(guò)流，所以必須有極快的保護(hù)電路。在EXB841內(nèi)部裝有一個(gè)過(guò)流檢測(cè) 電路，采用集電極電壓檢測(cè)法來(lái)監(jiān)控過(guò)流的發(fā)生。引腳 6通過(guò)一個(gè)快速二極管連接到 IGBT的集電極，用于過(guò)流的檢測(cè)。圖 212描述 EXB841的過(guò)流檢測(cè)邏輯。 圖 212 集電極電 流 檢測(cè)法邏輯圖 由圖 212可知，當(dāng)且僅當(dāng) IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，集電極電壓 VCE為高時(shí)， EXB841判斷為出現(xiàn)過(guò)流，過(guò)流軟關(guān)斷電路同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)。 (3)過(guò)流軟關(guān)斷電路： 當(dāng) IGBT出現(xiàn)過(guò)流故障時(shí)，如果以正常速度關(guān)斷 IGBT，在大電流的情況下 (特別是帶有感性負(fù)載時(shí) )由于 /di dt 很大，易 發(fā)生擎住效應(yīng)而使 IGBT損壞。因此，在出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，應(yīng)該采用軟關(guān)斷的策略，即延長(zhǎng) IGBT的關(guān)斷時(shí)間，減小 /di dt ，避免擎住效應(yīng)的發(fā)生。在過(guò)流軟關(guān)斷電路動(dòng)作的同時(shí)，引腳 5向外輸出過(guò)流保護(hù)信號(hào)，便于外圍電路的協(xié)同工作。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生電路： IGBT是電壓控制型器件，推薦的開(kāi)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓為+15V和 5～ 10V。引腳 14和 15接受來(lái)自控制電路發(fā)出的 IGBT開(kāi)斷信號(hào)，通過(guò)其內(nèi)部電路的轉(zhuǎn)換，輸出控制 IGBT開(kāi)通與關(guān)斷的電壓信號(hào) [8]。 EXB841內(nèi)部電路原理圖如圖 213所示 ： 圖 213 EXB841內(nèi)部電路原理圖 當(dāng) EXB841的 14腳和 15腳有 10mA 的電流流過(guò) 1μs以后 IGBT正常開(kāi)通， VCE下降至3V左右， 6腳電壓被鉗制在 8V左右，由于 VS?穩(wěn)壓值是 13V，所以不會(huì)被擊穿， V?不導(dǎo)通， E點(diǎn)的電位約為 20V,二極管 VD?截止，不影響 V?和 V?正常工作。 當(dāng) 14腳和 15腳無(wú)電流流過(guò)，則 V? 和 V?導(dǎo)通， V?的導(dǎo)通使 V?截止、 V?導(dǎo)通， IGBT柵極電荷通過(guò) V?迅速放電，引腳 3電位下降至 0V，是 IGBT柵 射間承受 5V左右的負(fù)偏壓， IGBT可靠關(guān)斷，同時(shí) VCE的迅速上升使引腳 6“懸空”。 C?的放電使得 B點(diǎn)電位為0V，則 VS?仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動(dòng)作， IGBT正常關(guān)斷。 如有過(guò)流發(fā)生， IGBT的 VCE過(guò)大使得 VD?截止，使得 VS?擊穿， V?導(dǎo)通， C?通過(guò)R7放電， D點(diǎn)電位下降，從而使 IGBT的柵 射間的電壓 VGE降低，完成慢關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)。由 EXB841實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的過(guò)程可知， EXB841判定過(guò)電流的主要依據(jù)是 6腳的電壓， 6腳的電壓不僅與 VCE有關(guān)，還和二極管 VD?的導(dǎo)通電壓 Vd有關(guān) [9]。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 表 21 EXB841的 電氣特性 項(xiàng)目 符號(hào) EXB841(高速 ) 單位 Min Typ Max 導(dǎo)通時(shí)間 1 ont 181。s 導(dǎo)通時(shí)間 2 oft 181。s 過(guò)流保護(hù)電壓 ocpU 181。s 過(guò)流保護(hù)延遲時(shí)間 ocpt 10 181。s 報(bào)警延遲時(shí)間 ALt 1 181。s 反向 偏置電源電壓 RBU 5 181。s 表 21列舉了 EXB841的電 氣 特性。使用時(shí)必須嚴(yán)格遵照和考慮這些參數(shù)，才能使EXB841的功能得到完善的應(yīng)用。 圖 214 EXB841構(gòu)成的 IGBT驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路圖 圖 214 中 EAR10 是反向恢復(fù)時(shí) 間為 150ns 的快速恢復(fù)二極管， 正向?qū)▔航禐楫厴I(yè)設(shè)計(jì) 19 3V。如果采用其他不滿足這種性能指標(biāo)的二極管，將會(huì)降低驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路過(guò)流保護(hù)的速度，造成過(guò)流保護(hù)的失敗。圖中 RS 觸發(fā)器采用 CD4043 構(gòu)成，與門(mén)采用 74LS09構(gòu) 成， TLP521 為快速光耦。保護(hù)電路部分中， TLP521 的信號(hào)延遲時(shí)間為 23181。s，CD4043 的信號(hào)延遲時(shí)間最大為幾百個(gè) ns。因此，保護(hù)電路在信號(hào)響應(yīng)上是足夠快的。當(dāng) IGBT 發(fā)生過(guò)流時(shí)， EXB841 的 5 腳電平由高變低， RS 觸發(fā)器 S 端變?yōu)楦唠娖剑敵龆?Q 輸出高電平，經(jīng)過(guò)三極管，加到與門(mén)上的電平為低電平，封鎖 EXB841 的輸入信號(hào)，達(dá)到及時(shí)撤出柵極信號(hào)、保護(hù) IGBT 的目的。圖 214 中在 RS 觸發(fā)器的 R端加了復(fù)位按鈕，發(fā)生故障時(shí)， RS 觸發(fā)器將 Q 端 輸出的高電平鎖住，當(dāng)排除故障后，可以按動(dòng)復(fù)位按鈕，解除對(duì)柵極控制信 號(hào)的封鎖。 濾波電路設(shè)計(jì) 濾波電路的 要求 逆變器和交流變換器的輸出電壓波形，除了基波分量外還含有諧波分量。方波中含有各次奇次諧波，其中 THD（電流的總諧波畸變） 為 48%；階梯波中含有 2kn177。1次諧波；脈寬調(diào)制波消除了低次諧波，但含有高次諧波。為了使輸出電壓波形正弦化和 THD 或單次諧波含量降低到允許值，必須設(shè)置輸出濾波器。如果負(fù)載恒定，濾波器的設(shè)計(jì)容易；如果負(fù)載變化范圍寬且要求諧波含量低，濾波 器的設(shè)計(jì)就困難，其體積和重量將很大 [10]。對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的基本要求是： (1)輸入電流和輸出電 壓 THD 或單次諧波含量均應(yīng)降低到允許的范圍 。 (2)不至過(guò)分增加整體的設(shè)計(jì)容量，即濾波容不會(huì)過(guò)多增加功率開(kāi)關(guān)電流 。 (3)濾波電感基波壓降小，負(fù)載變化所引起的輸入、輸出電壓波動(dòng)小 。 (4)濾波器體積小、重量小、成本低。 輸出濾波器的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的輸出濾波器采用 單級(jí) LC 低通濾波器 ,其原理圖如圖 215 所示。 單級(jí) LC 交流輸出濾波器由三個(gè)單相濾波器組成，具體分析單相 LC 濾波器就可以完成三相濾波器的設(shè)計(jì)，圖 216 為單相 LC 濾波電路，也叫常 K 型 Г 型低通濾波器。串臂阻抗 Z?與并臂阻抗 Z?的乘積 1 2 f f f f(1 / ) /Z Z j L j C L C K??? ? ?，一旦 fL ， fC值確定后， K 為常數(shù)、不隨頻率變化。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 215 單級(jí) LC交流輸出濾波 器 由于 ff/LC具有阻抗平方量綱，故常數(shù) K 也可用濾波器的另一重要參數(shù) R 表示： 2ff/L C K R?? (26) ff/R L C? (27) 四端網(wǎng)絡(luò)在輸入端、輸出端均處于阻抗匹配時(shí)工作最好，圖 216 所示的四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端、輸出端特性阻抗分別 表示為 為 式 (28)、式 (29)： 22C1 1 2 1 2 f f f f f f1 / / 1 1Z Z Z Z Z L C L C R L C??? ? ? ? ? ? (28) 22C2 1 2 1 2 f f f f f f1 / / 1 1Z Z Z Z Z L C L C R L C??? ? ? ? ? ? (29) 當(dāng) ω=0 時(shí)， C1 C2 f f/Z Z L C?? ，故 R 是頻率為零時(shí)的特性阻抗，稱之為標(biāo)稱特性阻抗。傳通條件為 121 / 0ZZ? ? ? ，即 2f1 ( / ) 0j L R?? ? ?，故可得 式 (210)： f0 LR??? (210) 當(dāng) 1f0ZL?? ?? ? 時(shí)， ω必定為零，此為通頻帶的最低角頻率： 當(dāng) 1fZ L R?? ?? ? 時(shí)，則fC/RL????， 此 為 通 頻 帶 的 最 高 角 頻 率 ， 即 為 濾 波 器 截 止 頻 率 。 因C f f f/ 1 / /R L L C? ?? ，可得濾波器的截止頻率 如式 (211)： f f f/ ( 2 ) 1 / ( 2 )cf R L L C???? （ 211） 畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 因此，當(dāng)時(shí) 0 cff?? ，濾波器的衰耗為零；當(dāng) cff? 時(shí)，濾波器開(kāi)始有衰耗， 衰耗常數(shù)為 式 (212)： 1 2 1 2 1 2l n l n ( 1 / / )b U U Z Z Z Z? ? ? ?? ? ? (212) fL 和 fC 值的確定：由式 2 211 可得 f / (2 )cL R f?? (213) 2f f f f/ / ( 2 ) 1 / ( 2 )ccC L R L f L R f R??? ? ? (214) fL 與 fC 的值，取決于 cf 與 R 的選擇 。 實(shí)際中 cf 的選取要低到三次或二次諧波頻率才能得到滿意的正弦波形狀。當(dāng)輸出電壓基波頻率為 50Hz 時(shí)， cf 通常選在 100~400Hz 左右。 R 的選取則為R=(~)RL(負(fù)載電阻 )。當(dāng)逆變器的輸出功率和輸出電壓已知時(shí)， RL就是已知量，則濾波器的標(biāo)稱特性阻抗 R 即可選定，將其帶入式 21 214 即可確定 fL 與 fC 的值 。從而可以確定三相輸出濾波器的構(gòu)成 [11]。 圖 216 單相 LC低通濾波 器 畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 第 3 章 PWM 控制電路的設(shè)計(jì) 脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù) PWM 基本脈寬調(diào)制原理 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形 (含形狀和幅值 )。 （ a） (b) (c) (d) 圖 31 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄 脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖 31(a),(b),(c)所示的 3 個(gè)窄脈沖形狀不同 ,其中圖 31(a)為矩形脈沖，圖 31(b)為三角形脈沖，圖 31(c)為正弦半波脈沖，但他們的面積 (即沖量 )都等于 1，那么，當(dāng)他