【導(dǎo)讀】可控整流電路在阻性負(fù)載情況下輸出與輸入的關(guān)系............21

　　

【正文】 圖4 5 恒頻時(shí)的斬波器的輸出波形 U 0U 0ρ =25ρ =75tt圖(a ) t on 不變t ont on U 0U 0ρ =25ρ =75tt 圖(b ) t off 不變圖46變 頻時(shí)的斬波器的輸出波形t offt off 由以上討論可以看出，斬波器主要由能夠按需要開通和關(guān)斷的器件與能提供開通關(guān)斷功能的控制電路兩部分構(gòu)成。按需開通和關(guān)斷的器件有可關(guān)斷晶閘管，功率晶體管，場效應(yīng)管或絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)等 :控制電路可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)或選用專業(yè) )一家提供的專用集成電路。 27 雖然 MOSFET 用 在斬波電路有明顯效果，但成本較高，不適合國情。鑒于國內(nèi)電解凈水行業(yè)的現(xiàn)狀，我們設(shè)計(jì)中頻、低頻自流脈沖電源，以適應(yīng)國內(nèi)情況。為此，決定選用 IGBT 作為開關(guān)器件，以單片機(jī)作為控制電路設(shè)計(jì)流脈沖電源是合理的。下面幾節(jié)將詳細(xì)介紹以 IGBT 為核心的斬波電路的設(shè)計(jì)，滿足脈寬和輸出電壓可調(diào)的要求，同時(shí)設(shè)置必要的保護(hù)環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的可靠性。 絕 緣柵雙極性晶體管工作原理 絕緣柵雙極晶體管簡稱 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種復(fù)合型電管力半導(dǎo)體器件，它兼有 MOS FET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)高輸入阻抗，高速特性和雙極結(jié)型晶體管 Bipolar Junction Transistor 又稱電力晶體管(GiantTransistor)大電流密度特性的優(yōu)點(diǎn)的混合器件，既具有速度快，輸入阻抗高的特性，又具有通態(tài)電壓低、耐一壓高、電流容量大的特性。 IGBT的開關(guān)速度要比功率 MOSFET 的低，但要比 BJT 的快， IGBT 的關(guān)斷存儲時(shí)間和電流下降時(shí)間分別為 0. 2 ～ 0. 4 m s 和 0. 2～ 1. 5ms。 IGBT 較高的上作頻率寬而穩(wěn)定的開關(guān)安全上作區(qū)及簡單的驅(qū)動電路，使得 IGBT 在大功率電源應(yīng)用場合成為首選?？谇笆澜缟显S多電力電子器件公司均提供 IGBT 模塊，并有專用驅(qū)動電路可供選擇。 IGBT 的開通和關(guān)斷由柵極控制。當(dāng)柵極 G 施加正向電壓且大于開啟電壓時(shí)，在柵極下的 P 型體區(qū)內(nèi)便形成導(dǎo)電溝道，此溝道為 IGBT 內(nèi)的 PNP 晶體管提供基流，使 IGBT 導(dǎo)通，當(dāng) IGBT 柵極電壓小于開啟電壓時(shí)或施加反向電壓時(shí)， IGBT 內(nèi)的 MOSFET 的導(dǎo)電溝道消失， PNP 晶體管的基極電流被切斷，IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的主要參數(shù) 對于 IGBT 的應(yīng)用者來說，最為關(guān)心的是如下幾個主要參數(shù) : 集電極一發(fā)射極額定電壓 Uces:柵極與發(fā)射極短路時(shí)工 GBT 能承受的耐壓值 ,不同等級的器件有不同值 Uces。 柵極－發(fā)射極額定電壓 UGes:柵極控制信號的額定值?？谇?IGBT的值 UGes 大部分為 +20V，使用時(shí)柵極的控制電壓最好不要超過該額定值。 集電極額定電流 Ic:IGBT 在導(dǎo)通時(shí)能流過管子的持續(xù)最大電流。 集電極－發(fā)射極飽和電壓 Uce(sar):此參數(shù)給出 IGBT 在正常飽和導(dǎo)通時(shí)集電極－發(fā)射極之間的電壓降，此值越小 ，管子的功率損耗越小。 28 開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間含義如下 : IGBT 由關(guān)斷狀態(tài)過渡到導(dǎo)通狀態(tài)所需要的時(shí)間，稱為開通時(shí)間； IGBT 由導(dǎo)通狀態(tài)過渡到關(guān)斷狀態(tài)所需要的時(shí)間，稱為關(guān)斷時(shí)間。 IGBT 的安全工作區(qū) IGBT 的正向安全工作區(qū) (FBSOA)山電流、電壓、功耗三條界線圍成，如圖 47 由于動態(tài)鎖定所允許的漏極電流比靜態(tài)鎖定時(shí)要小，因此，最大漏極電流 Idm 由動態(tài)鎖定時(shí)所允許的漏極電流確定，最大漏源電壓 Udsm 由 IGBT 中PNP 晶體管的擊穿電壓確 定，最大功耗 PDM 受限于最高允許結(jié)溫，與導(dǎo)通時(shí)間密切相關(guān)，時(shí)間長發(fā)熱嚴(yán)重，安全工作區(qū)變窄。 IGBT 的反偏安全上作區(qū) (RBSOA)如圖 48 所示， Uds／ dt由電流、電壓界線成，隨關(guān)斷時(shí)重加“ Uds／ dt 而改變， Uds /dt 愈大，安全工作區(qū)愈小。 因此為在關(guān)斷時(shí)加大安全工作區(qū)，電路設(shè)計(jì)時(shí)，驅(qū)動電路盡量靠近 IGBT的柵極，以縮短驅(qū)動電路到 IGBT 的柵射極的引線 。或者恰當(dāng)選擇柵射驅(qū)動電壓和柵極電阻，同時(shí)仔細(xì)設(shè)計(jì)緩沖電路，使外電路產(chǎn)生較小的 Uds／ dt。 如果在導(dǎo)通期間，負(fù)載發(fā)生短路， IGBT 的集電極電流急劇增大，如不加圖 48IGBT的反偏安全工作區(qū) 圖 47 IGBT的安全工作區(qū) 29 以限制，就可能發(fā)生栓鎖效應(yīng)，造成器件失控，以致?lián)p壞。為避免這種狀態(tài)，可根據(jù)最大峰值電流不發(fā)生栓鎖效應(yīng)的最大電流對應(yīng)的柵極發(fā)射極電壓 UGEM設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動電壓 UGE，使 UGEUm。這樣一日發(fā)生短路， IGBT 進(jìn)入放大狀態(tài)，即進(jìn)入恒流 Ix，集電極電壓升高。如將此電壓檢測出來，控制柵極電壓，使其減小或切除，從而避免進(jìn)入栓鎖狀態(tài)，達(dá)到保護(hù)器件目的。 IGBT 的保護(hù) IGBT的損壞主要有兩種情況 :一是由于負(fù)載過電流引起流過 IGBT漏極和源極的電流造成柵極附近局部過熱 而損壞。另外一個情況是當(dāng) IGBT關(guān)斷時(shí)，由于主回路引線電感的存在，電流不能突變，使源極和漏極之間的電壓上升至很高的值，從而損壞 IGBT o當(dāng) IGBT導(dǎo)通時(shí)，主回路寄生電容通過 IGBT放電，從而產(chǎn)生較大的電流浪涌，反并聯(lián)二極管兩端電壓異常升高，造成 IGBT開關(guān)損耗過大，引起芯片過熱導(dǎo)致 IGBT損壞。另外， IGBT在柵漏之間的寄生電容CGE和柵源之間的寄生電容 CCE在全橋電路中，過大的 dUCE/d t會通過這些寄生電容禍合到柵極上產(chǎn)生干擾，當(dāng)干擾信號大于 IGBT的開啟電壓時(shí)，就會導(dǎo)致關(guān)斷狀態(tài)下的誤導(dǎo)通而造成橋臂 直通短路，過大的 dUCE/dt還會使 IGBT產(chǎn)生擎住效應(yīng)。 綜上所述， IGBT的損壞主要是由 di/dt, d u/dt和過電流造成，此外還有 IGBT溫度過高造成的損壞。為了保證功率單元的安全運(yùn)行，防止異常情況造成 IGBT的損壞，必須采取完備可靠的保護(hù)措施。通常的保護(hù)措施主要有 :過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過熱保護(hù)。 IGBT的過電流損壞問題可以依靠 IGBT驅(qū)動電路中過流保護(hù)電路來解決，保護(hù)電路在 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)章節(jié)中講述。 IGBT溫高造成的損壞采取下面措施解決 : 1. 設(shè)計(jì)選擇足夠散熱面積的散熱器 。 2. 給 IGBT的散熱器加軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)冷 。 3. 設(shè)計(jì)安裝過熱保護(hù)繼電器，在溫度過高時(shí)報(bào)故障信號，封鎖 IGBT的驅(qū)動信號 。 為防止 di/dt和 du/dt造成的損壞采用的方法包括 : 1．合理布線，減小主回路接線的接線電感； 2．減小變從器的漏感； 3. 采用給 IGBT加吸收電路的辦法解決。 過電壓保護(hù) IGBT是高速開關(guān)元器件，它在關(guān)斷時(shí)，由于主電路電流的急劇下降，主 30 電路存在的等效電感將引起高壓，稱為開關(guān)浪涌電壓。 IGBT感性負(fù)載關(guān)斷的電流、電壓波形如圖 。這種開關(guān)浪涌電壓如果超過 IGBT的安全保護(hù)區(qū)域，就會使 IGBT損壞。因此為了使 IGBT關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓能得到更有效的抑制，并減小 IGBT的關(guān)斷損耗，通常除在主電路結(jié)構(gòu)和布線上盡量減小等效電感外，還需給 IGBT主電路設(shè)置緩沖吸收電路。 下圖為常用的四種緩沖電路。 圖 a) 為最簡單而有效的一種緩沖電路，當(dāng) IGBT關(guān)斷時(shí)等效電感的儲能轉(zhuǎn)移到 c中， c充電，為了減小充電電流在 c的寄生電感上引起的尖鋒過電壓，吸收電容 c應(yīng)采無感專用吸收電容器，目前此類電容器在市場上較多。由于此緩沖電路中沒有阻尼電阻，容易發(fā)生主電路電感與吸收電容的共振。但由于 c直接連接在直流電源的兩端，取較大的電容值不會影響電路的正常工作，因此可用增大吸收電容 c容量的辦法避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，并會取得較好的吸收效果。此種電路適應(yīng)于小容量的 IGBT裝置。 圖 b) 是由吸收電容、放電電阻和充電二極管組成的高效緩沖電路，這種電路適應(yīng)于中等容量的裝置中。吸收電容通過二極管充電，通過電阻放電，因?yàn)橛须娮璧淖枘幔誓芟娙莘烹娫斐傻碾娏髡袷帯? 圖 c) 所示電路中，每個工 GBT各具有一個與圖 b)相似的緩沖電路，故具有更好的吸收效果。它可用于大容量的裝置中。 圖 d) 所示為每個 IGBT各有一個 與它的 C, E兩極直接相聯(lián)的電容、電阻和二極管組成的緩沖電路，因此它的吸收效果最好。但此種電路的功耗較大，當(dāng)運(yùn)行頻率較高時(shí)，會嚴(yán)重影響裝置的運(yùn)行效率。 本設(shè)計(jì)中，緩沖電路選用圖 a)結(jié)構(gòu)。 在緩沖電路的設(shè)計(jì)上應(yīng)注意以下幾點(diǎn) : 178。吸收電容應(yīng)采用無感吸收電容； 178。吸收電容與 IGBT間的引線應(yīng)盡量短； 178。二極管應(yīng)選用快開通與快恢復(fù)二極管。 圖 49 IGBT 緩沖電路 31 過電流保護(hù) 在由 IGBT構(gòu)成的整流器發(fā)生負(fù)載短路或同一橋臂出現(xiàn)直通現(xiàn)象時(shí)，電源電壓直接加到 IGBT的 C, E兩極之間，流過 IGBT的集電極電流將會急劇增 加，此時(shí)若不迅速撤除柵極驅(qū)動信號，就會燒損 IGBT。 IGBT能在不損壞的前提下承受短路電流的時(shí)間稱為允許短路時(shí)間。允許短路時(shí)間的長短與電源電壓、柵極驅(qū)動電壓及結(jié)溫有密切關(guān)系。為了防止由于短路故障而造成 IGBT損壞，必須有完善的故障檢測與保護(hù)環(huán)節(jié)。電流檢測方法有三種，第一種為采用霍爾電流互感器來檢測出過流信號 。第二種為通過檢測 IGBT通態(tài)電壓 VGE(sat)而間接的檢測過流信號 。第三種為在 IGBT元件內(nèi)部設(shè)置電流傳感器，以檢測與主電流成正比的電流傳感器信號，此類元件為最新型的智能型功率元器件，目前應(yīng)用較少。在 此三種檢測中第二種方法由于電路簡單，成本低，對于大系統(tǒng)來說，容易做到故障定位處理，此種檢測保護(hù)一般與 IGBT的柵極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)在一起，而統(tǒng)稱驅(qū)動保護(hù)電路，功率單元中 IGBT保護(hù)采用的就是這種方法。 霍爾傳感器 在設(shè)計(jì)中，選用霍爾傳感器檢測負(fù)載端電壓。 霍 爾傳感器模塊的特點(diǎn) 1． 宇波模塊可以測量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量、副邊電路忠實(shí)反應(yīng)原邊電流的波形。普通互感器無法與其相比，它一般只適用于 50HZ 正弦波。 2． 精度高在工作區(qū)內(nèi)優(yōu)于 1％，該精度適合于任何波形的測量。互感器一般精度為 3％～ 5％，且只適合于 50Hz 正弦波形。 3． 線性度好：優(yōu)于 ％。 4． 動態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間小于 lms。跟蹤速度 di/dt 高于 50A/ms。 宇波模塊的優(yōu)異的動態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)（無感元）普通互感器響應(yīng)時(shí)間為 10~20ms，已不適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要（感性元件）。 5． 工作頻帶寬：在 0～ 100KHz 頻率范圍內(nèi)。 6． 字波電流傳感器模塊尺寸小、重量輕易于安裝。在系統(tǒng)中不會帶來任何損失。普通互感器是感性元件，接入后 影響被測電流波形。 7． 可靠性高、平均無故障工作時(shí)間＞ 5179。 104 小時(shí)。 8． 過載能力強(qiáng)、測量范圍大。它具有精度高、線性度好、頻帶寬、響 32 應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、 UPS 電源、逆變焊機(jī)、變電站、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測大電流電壓的各領(lǐng)域中。電力電子產(chǎn)品中，對大電流進(jìn)行精確的檢測和控制是產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的根本保證。宇波模塊提供了這個保證，使得霍爾電流電壓傳感器變送器模塊有廣泛的應(yīng)用前景 電壓傳感器（ CHV－ 100）接線 +MCHV100OUT15V公共地+15VIm=50mAIin=10mARRUpHT+HT 有五只接線端子。其中兩只為原邊端子：被測電壓輸入端十；被測電壓輸入端一。另外三只為副邊端子：十端：電源 +15V；一端：電源 15V； M 端：信號輸出端。 根據(jù)用戶所測電壓的大小，須將被測電壓串接一只電阻 R 后再接到傳感器原邊端子，串接電阻 R 由下式?jīng)Q定： VinR RinIin?? (49) 式中： R 為串聯(lián)電阻； Vp 為被測電壓； In 為額定 輸入電流（一般額定電壓下取 10mA）； Rin 為傳感器原邊內(nèi)阻。 串接電阻 R 的功率確定 W=Vp178。 Iin (410) 電 壓傳感器模塊的設(shè)計(jì)計(jì)算 在測量電壓時(shí)，在傳感器原邊電路必須先串接一只電阻 R以得到額定值時(shí)原邊電流為 10mA，然后再并接到被測電壓，如圖 49。 用戶要求的特性：額定電壓 VP=1000V，連續(xù)工作；電源電壓 V=15V； 當(dāng)圖 410 CHV100 外部接線圖 33 VP=1000V 時(shí)得到 4V的輸出電壓。確定測量參數(shù)： （ 1） 確定原邊串聯(lián)電阻 R R 總 ＝ R＋ Rin=Vp/Ip=100KΩ 其中： Rin=（手冊中可以查到）所以： R＝ R的額定功率 Pr=100KΩ (100mA)2=10W,選用時(shí)應(yīng)留