【文章內(nèi)容簡介】 三相不可控橋式整流電路如圖 2－3 所示，其中的六個二極管分為兩組，奇數(shù)組 VDVD3 和 VD5 的陰極連在一起稱為共陰極組，偶數(shù)組 VDVD4 和 VD6 的陽極連在一起稱為共陽極組，異名電極相連后接電源，同名電極相連后接負載。共陰極組中陽極電位最高的二極管將優(yōu)先導通，共陽極組中陰極電位最低的二極管將優(yōu)先導通。電路工作情況具體分析如下：（1）在 0~t1期間，c 相電位為正，b 相電位為負，a 相電壓為正，但小于 c 相電壓。在這段時間里 c 點電位最高，b 點電位最低，于是共陰極組中 VD5 和共陽極組中 VD6導通。VD5導通后，又使 VD1和 VD3的陰極電位基本上等于 c 點電位，因此兩管截至。而 VD6導通后，又使 VD2和 VD4的陽極電位接近 b 點的電位，故 VD2和 VD4也截止。如果忽略正向管壓降，在此期間加在負載上的電壓就是線電壓 ucb，其電流通路為：c→VD5→LC→VD6→b。（2）在 t1~t2期間，a 點電位最高，b 點電位仍最低，因此 VD1和 VD6導通，其余四個二極管都截至，負載上的電壓就是線電壓uab，其電流通路是：a→VD1→LC→VD6→b。（3）其他時間段二極管的導通情況和負載電壓的波形和上述推導過程類似，電路電壓波形如圖 2－3 所示。導通特點是各組二極管每隔 1/6 周期交換導通一次，每個二極管導通 1/3 周期，任何時刻負載上的電壓均為電源的線電壓。在輸入側端：由公式P=3UI, P=10KVA,U=380VI=P3U=100003380=I峰值＝2I=2=選擇二極管時，I39。=2I峰值=2=43AU39。=22U=22380=1075V為此整流二極管，選擇的型號如表2－1所示型號最高反向峰值電壓平均整流電流（A）最大峰值浪涌電流（A）正向壓降外型IN5399100050DO15經(jīng)過整流的電壓波形還有一定的波動，需要加個電容進行濾波，選多大的電容成為首要問題。這里可以用一個簡單的方法計算出來，即一般要求在放電結束時的哪一點上，電容上的電壓下降不超過5%，根據(jù)電容放電公式：UC=UCOetτ式中 Uc：在放電時間結束時那一點的瞬時電壓； Uco：放電開始時的電壓； t：放電時間； τ：放電時間常數(shù)，τ=RC。將式改寫成按照上面的要求，設放電到3ms時，應當UC=，代入這些數(shù)據(jù)后，上式就變成：即：CR=式中，R是整流濾波電源輸出最大容量時的等效負載電阻值，于是電容（無源）采用這種方式的無源功率因數(shù)校正法，由于電感元件在能量的傳遞中起載體的作用，因此電感器元件的選型是一個關鍵，其參數(shù)的大小直接影響著功率因數(shù)校正的效果。其大小與整流濾波電路的等效負載電阻之間的關系為：上式中，L是濾波電感門檻值，單位為H； R是等效負載電阻，單位為；是電壓輸入角頻率，ω=2πf，即ω=314。由上節(jié)可知，濾波電容為：對L、C的選擇：三相橋式不控整流電路輸出電壓() Ud=515V，當為額定容量時， S=10KVA，由公式S=UI 可得I=SU=10000515=則等效負載電阻R=UI=≈27Ω故L=R3ω=273314≈29mHC=10327≈145μF開關頻率 fs的選擇從理論上講，提高開關頻率可以減小濾波參數(shù)，從而縮小體積、減輕重量、降低系統(tǒng)功耗及成本，并減小交流電流諧波畸變率。然而，實際上開關頻率 fs受開關器件自身的限制，高的開關頻率意味著高的開關損耗以及高的開關應力。本裝置開關管采用西門子公司的 IGBT，由于電力電子器件的發(fā)展，IGBT 的開關損耗越來越小，允許的開關頻率越來越高，因此可適當提高開關頻率，選取 f s=20kHz(BUCK)變換器圖2－4 降壓式變換器及波形上圖2－4為降壓式（BUCK）變換器及其輸出波形，BUCK變換器輸出電壓平均值U0總是小于輸入電壓Ui。通過電感的電流（iL）是否連續(xù)，取決于開關頻率、濾波電感L和電容C的值。當電路工作頻率較高，電感和電容足夠大并為理想元件，則電路進入穩(wěn)態(tài)后，可以認為輸出電壓為常數(shù)。當晶體管VT導通時，電感中電流呈線性上升，因而有UiUO=Li0maxiominton=L?ionton式中，ton為晶體管導通時間； io(max)為輸出電流最大值； io(min)為輸出電流最小值； ?ion為晶體管導通時間輸出電流變量。當晶體管截止時，電感中電流不能突變，電感上感應電動勢使二極管導通，這時UO=Li0maxiomintoff=L?iofftoff式中，toff為晶體管截止時間； ?ioff為晶體管截止時間輸出電流變量在穩(wěn)態(tài)時?ion=?ioff=?i式中，?ion為輸出電流變量（一） buck 電路的電感電容參數(shù)設計buck 電路可以工作于不連續(xù)模式，但是會出現(xiàn)一些問題，最好能保證電路大部分時間工作在連續(xù)電流模式。由于三相橋式不控整流電路經(jīng)濾波輸出電壓約為515V；充電電壓為300V，即300＝D*515，可得D=。充電電路電感電容的選擇：設開關頻率為1KHz，輸出電流變化值為1A，則據(jù)相關經(jīng)驗公式可得：即515300L**103=1L=，取電感為130 mH。設輸出電壓變化值為10V，據(jù)公式：即C=300*106*(515300)8**515*10=。(二)充電電路MATLAB仿真本次設計主要調(diào)節(jié)BUCK電路中給定輸入電壓值和占空比，對輸出電壓是否和理論值相同給予驗證。此處脈沖頻率為1KHz，電感為130mH，電阻去15歐，直流電壓DC Votlage source取515V。圖2－5 充電電路的仿真圖2－6 輸出電壓Ur的波形（BOOST）變換器圖2－7 升壓式電路上圖2－7為升壓式（BOOST）電路，由功率晶體管VT、儲能電感L、二極管VD及濾波電容C組成。當晶體管導通時，電源向電感儲能，電感電流增加，感應電動勢為左正右負，負載由電容C供電。當VT截止時，電感電流減小，感應電動勢為左負右正，電感能量釋放，與輸入電壓順極性一起經(jīng)二極管向負載供電，并同時向電容充電。這樣把低壓直流變換成高壓直流。在電感電流連續(xù)的條件下，電路工作于如圖28所示的兩種狀態(tài)。模式1模式2圖2－8 等效電路在電力電子開關VT導通期間，VD截止，iL上升，eL=U0，uvT=0；VT阻斷期間，VD導通，iL下降，eL=UdU0，uvT=U+eL=Ud。穩(wěn)態(tài)時，uvT=0 0≤t≤DTUd DTt≤T據(jù)電路工作狀態(tài)，各電量間數(shù)量關系為求解可得輸入電壓U與輸出電壓Ud的變換關系為要想輸入300V輸出515V的直流電壓，此時：515=11D*300可以求得：D=（一）放電電感電容的選擇：設開關頻率為1KHz，電流變化值為1A，脈沖下降時間為1ms；由于放電電路輸入電壓為300V，輸出電壓為515V，則?U=515300=215V據(jù)?U=L?I?t (?U為瞬時反電動勢電壓；?t 為脈沖下降時間)則L=?U?T?I=215*1031=215mH取電感L為215 mH。據(jù)充電電路輸入輸出電壓值的差可得。（二）放電電路的仿真圖210為蓄電池放電仿真電路，該仿真主要對BOOST電路調(diào)節(jié)給定輸入電壓值和占空比，對輸出電壓是否和理論值相同給予驗證。此處脈沖頻率為1KHz，電感為215mH，電阻去20歐，直流電壓DC Votlage source取300V。Pulse取的參數(shù)如圖2－9所示圖2－9 Pulse參數(shù)設置圖2－10 充電電路的仿真模型圖2－11 BOOST電路的輸出電壓及諧波把MOS管技術引入功率半導體器件的思想開創(chuàng)了革命性的器件:絕緣柵雙極晶體管IGBT。 隨著IGBT在工作頻率為20KHZ的硬開關及更高的軟開關中的應用,它已經(jīng)代替了MOSFET和GTR,成為最主要的電力電子器件。IGBT的發(fā)展使集外圍電路內(nèi)置于一塊功率模塊的智能功率IPM脫穎而出。IPM內(nèi)含柵極驅(qū)動、短路保護、過流保護、過熱保護和欠壓鎖定等功能,被廣泛用于無噪聲逆變器,低噪聲UPS系統(tǒng)和伺服控制器等設備上。 IPM 使產(chǎn)品的體積減小,縮短了開發(fā)時間,簡化了開發(fā)步驟。 IPM的特點一、IPM的構成智能功率模塊IPM(Intel l igent PowrModule)不僅把功率開關器件和驅(qū)動電路集成在一起,而且還內(nèi)藏有過電壓,過電流和過熱等故障檢測電路,并可將檢測信號送到CPU或DSP作中斷處理。 它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護電路構成。 即使發(fā)生負載事故或使用不當,也可以IPM自身不受損壞。 IPM一般使用IGBT作為功率開關元件,并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結構。二、IPM的優(yōu)點(1)開關速度快。 IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型,而且驅(qū)動電路緊靠IGBT芯片,驅(qū)動延時小,所以IPM開關速度快,損耗小。(2)低功耗。 IPM內(nèi)部的IGBT導通壓降低,開關速度快,故IPM功耗小。(3)快速的過流保護。 IPM實時檢測IGBT電流,當發(fā)生嚴重過載或直接短路時,IGBT將被軟關斷,同時送出一個故障信號。(4)過熱保護。 在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器,當基板過熱時,IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級驅(qū)動,不響應輸入控制信號。(5)橋臂對管互鎖。 在串聯(lián)的橋臂上,上下橋臂的驅(qū)動信號互鎖。 有效防止上下臂同時導通。(6)抗干擾能力強。 優(yōu)化的門級驅(qū)動與IGBT集成,布局合理,無外部驅(qū)動線。(7)驅(qū)動電源欠壓保護。當?shù)陀隍?qū)動控制電源(一般為15V)就會造成驅(qū)動能力不夠,增加導通損壞。IPM自動檢測驅(qū)動電源,當?shù)陀谝欢ㄖ党^10μs時,將截止驅(qū)動信號。(8)IPM 內(nèi)藏相關的外圍電路。 縮短開發(fā)了時間。(9)無須采取防靜電措施。(10)大大減少了元件數(shù)目。 體積相應小。三、IPM的分類 IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為4類：H型（內(nèi)部封裝一個IGBT）、D型（內(nèi)部封裝兩個IGBT）、C型（內(nèi)部封裝6個IGBT）和R型（內(nèi)部封裝7個IGBT）。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。IPM內(nèi)置驅(qū)動和保護電路，隔離接口電路需用戶自己設計。四、 IPM的保護功能IPM內(nèi)置有驅(qū)動和保護電路，用以防止系統(tǒng)相互干擾或者過載時損壞功率芯片。它采用的故障檢測和關斷方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IPM內(nèi)置各種保護功能，只要有一個保護電路作用。IGBT的柵極驅(qū)動電路就關閉，同時產(chǎn)生一個故障信號。（1）過電流保護（OC）由IPM內(nèi)藏的電流傳感器檢測各橋臂電流，當過電流時間超過允許時間時，IPM就輸出動作信號，并封鎖輸入信號，對模塊實行軟關斷。在過流期間，IPM不再接受輸入信號；過流信號過后，輸入信號才能導通。如果IGBT中的電流超過過流斷開閾值（OC）且持續(xù)時間大于toff(oc),IGBT就會關斷，toff(oc)設置為10μs(典型值)。電流在OC以上但持續(xù)時間小于toff(oc)時，過流保護電路不工作。（2）短路電流保護（SC）由IPM內(nèi)藏的電流傳感器檢測各橋臂電流，當短路電流超過允許電平時，IPM就輸出動作信號，并封鎖輸入信號，對模塊實行軟關斷。這個過程與過電流保護相同，其動作時間更短。負載短路或系統(tǒng)控制器因相互干擾而發(fā)生直通現(xiàn)象時，（SC）時，就會立即開始關斷，同時產(chǎn)生一個故障信號。（3）超溫保護靠近IGBT芯片的絕緣基板上裝有溫度傳感器，IPM的超溫保護單元實時監(jiān)測IPM基板的溫度，基板的溫度超過過熱斷開閾值時，IPM內(nèi)的溫度保護電路就會中止柵極驅(qū)動，對模塊實行軟關斷，不響應控制輸入信號，直至過熱根源被排除。溫度下降到過熱復位閾值以下且控制輸入為高電平（斷態(tài)）時，功率芯片將恢復工作；當下一個低電平輸入信號（通態(tài)）來臨時，就恢復正常運行。（4）欠壓保護（UV）IPM的欠壓保護電路實時監(jiān)測控制電源電壓，欠壓時間超過允許時間時，欠壓保護電路就輸出動作信號并封鎖輸入信號，對模塊實行軟關斷。當欠壓信號恢復到允許值時，IPM才停止輸出動作信號，重新招收輸入信號。內(nèi)部控制電路由15V直流電源供電。無論什么原因，只要該電源電壓降到欠壓斷開閾值（UV）以下，IPM就關斷，同時會產(chǎn)生一個故障信號。小毛刺干擾電壓的持續(xù)時間小于規(guī)定的延時時間tdey時，控制電路不受影響，欠壓鎖定保護電路也不動作。，電源電壓必須超過欠壓復位閾值（UV）。在控制電源上電和掉電期間，欠壓鎖定保護電路都有可能起作用，這屬于正常現(xiàn)象，系統(tǒng)控制器程序所要考慮的只是所產(chǎn)生的故障輸出信號的脈沖寬度（5）誤動作報警輸出信號各種故障動作時間如果持續(xù)1ms以上，IPM即向外部CPU發(fā)出誤動作信號，直到故障撤消為止。由于本系統(tǒng)交流線電壓為220V，，考慮200%的過載余量和一定的電流尖峰因素，最大電流為37A。本設計中逆變電路采用三菱公司PM50RSA120智能功率模塊。PM50RSA120內(nèi)部電路如圖2－12所示圖2－12 PM50RSA120內(nèi)部結構圖該IPM模塊的主要特點有:額定電壓為1200V，額定電流為50A，最高工作頻率為20kHz，內(nèi)設低損耗的IGBT功率開關器件。IPM模塊內(nèi)置保護功能齊全，具有欠壓保護、過熱保護、短路保護，如果模塊內(nèi)有任何一種保護電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關斷，并輸出一個故障信號(FO)，向系統(tǒng)控制器提供報替信號，使控制器的柵極控制信號為全高或全低，進一步封鎖IGBT的輸出，完成對系統(tǒng)的保護。IPM的F0故障信號經(jīng)光偶隔離送PDPINTA引腳即功率驅(qū)動保護中斷輸入引腳。PDPINTA是一個下降沿有效的中斷。一般來說，當系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時，應首先由硬件來保護，這類保護通常由系統(tǒng)不可屏蔽的硬件中斷來完成?？梢杂糜谙螂妱訖C的監(jiān)視程序提供過電壓,并且2個HI時鐘周期從同一個中斷源接收一次中斷,為使