【導(dǎo)讀】工作及取得的研究成果；得其他教育機構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展···························錯誤!本文的研究意義及主要研究內(nèi)容·····················&#18

　　

【正文】 置安全工作區(qū)（ FBSOA ），由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 14 成。最大漏極電流 Idm 是根據(jù)避免動態(tài)擎住而設(shè)定的，最大漏源電壓 Udsm是由 IGBT 中晶體管 V3 的擊穿電壓所確定，最大功耗則是由最高允許結(jié)溫所決定。導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴重，安全工作區(qū)則越窄，如圖 所示。 圖 IGBT的安全工作區(qū) a)IGBT的正向偏置 b)IGBT的反向偏置 IGBT 的反向偏置安全工作區(qū) （ RBSOA）如圖 所示，它隨 IGBT 關(guān)斷時的 d Uds／ dt 而改變， d Uds／ dt 越高， RBSOA 越窄。 IGBT 的驅(qū)動與保護技術(shù) 因為 IGBT 的輸入特性與 MOSFET 的輸入特性非常相似，輸入阻抗均呈容性，都屬電壓驅(qū)動，都具有一定的開啟電壓，因而兩者的驅(qū)動原理相同。在驅(qū)動 IGBT 時， IGBT的靜態(tài)和動態(tài)特性與柵極驅(qū)動密切相關(guān)，柵極的正偏壓 十 Uge,負偏壓一 Uge 和柵極電阻 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 15 Rg 的大小，對 IGBT 的通態(tài)電壓，開關(guān)時間，開關(guān)損耗，承受短路能力以及 DUds/dt 等參數(shù)都有不同程度的影響，下面分別討論驅(qū)動條件對各種特性參數(shù)的影響情況 :： 圖 正偏置電壓 UGE（ ON） 與 UCE和 EON的關(guān)系 正偏置電壓 Uge 增加，通態(tài)電壓下降，開通能耗 Eon 也下降，分別如圖 b 所示。由圖中還可看出，若 +Uge 固定不變時，導(dǎo)通電壓將隨漏極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。 負 偏置電壓 Uge 增高時漏極電流明顯下降， 為了 IGBT 的可靠工作，通常在關(guān)斷時加一負偏壓，一般為一 V5 左右。 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 16 圖 – UGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗 EOFF的關(guān)系 a)UGE與集電極浪涌電流關(guān)系 b)UGE與關(guān)斷能耗 EOFF的關(guān)系 門極電阻 Rg 增加，將使 IGBT 的開通與關(guān)斷時間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減少，則又使 di/dt 增大，可能引發(fā) IGBT 誤導(dǎo)通，同時 Rg 上的損耗也有所增加。 為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流上升率 ，需要在柵極回路中串 聯(lián)電阻 Rg。柵極電阻 Rg 的取值要適當(dāng)，從減小電流上 升率、防止器件損壞方面考慮，凡選得大一些好，但 Rg 增大會使 IGBT 的開關(guān)時間增加，進而使開關(guān)損耗增加，因此，應(yīng)根據(jù) IGBT 的電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的 Rg阻值。一般應(yīng)選擇 在十幾歐至幾百歐之間。 由上述不難得知： IGBT 的特性隨門板驅(qū)動條件的變化而變化 , 就象雙極型晶體管的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動而變化一樣。但是 IGBT 所有特性不能同時最佳化。 (2)IGBT 的保護 由于 IGBT 與 MOSFET 一樣具有極高的輸入阻抗， 容易造成靜電擊穿，故在存放和測試時應(yīng)采取防靜電措施。將 IGBT 用于電力變換時，為了保證安全運行，防止異?，F(xiàn)象造成器件損壞，必須采取完備的保護措施。常用的保護措施有 : ① 通過檢出的過電流信號切斷柵極信號，實現(xiàn)過電流保護 。 ② 利用緩沖電路抑制過電壓，并限制過高的 du/dt。 ③ 利用溫度傳感器檢測 IGBT 的外殼溫度，當(dāng)超過允許溫度時主電路跳閘，實現(xiàn)過熱保護。 雙極型晶體管的開關(guān)特性隨基極驅(qū)動條件（ Ib1， Ib2）而變化。然而，對于 IGBT 來說，正如圖 所示，門極驅(qū)動條件僅對其關(guān)斷特性略有影響。因此， 我們應(yīng)將更多的注意力放在 IGBT 的開通、短路負載容量上。 對驅(qū)動電路的要求可歸納如下 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 17 (1) IGBT 與 MOSFET 都是電壓驅(qū)動，都具有一個 ～ 5V 的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此 IGBT 對柵極電荷非常敏感故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與 IGBT 的連線要盡量短。 (2) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓 Uge, 有足夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量小。另外 ， IGBT 開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提 供足夠的功率，使 IGBT 不退出飽和而損壞。 (3) 驅(qū)動電路要能傳遞幾十 kHz 的脈沖信號。 (4) 驅(qū)動電平十 Uge 也必須綜合考慮。＋ Uge 增大時 ， IGBT 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的 Ic 增大， IGBT 能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中 Uge 應(yīng)選得小些，一般選 12 15V 。 (5) 在關(guān)斷過程中，為盡快抽取 PNP 管的存儲電荷，須施加一負偏壓 Uge, 但它受 IGBT 的 G 、 E 間最大反向耐壓限制，一般取 1v — 10V 。 (6) 在大電感負載下， IGBT 的開關(guān)時間不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖峰電壓，確保 IGBT 的安全。 (7) 由于 IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴格隔離。 (8) IGBT 的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對 IGBT 的保護功能 ，以增強抗干擾能力。 集成化 IGBT 專用驅(qū)動器 EXB841 現(xiàn)在，大電流高電壓的 IGBT 己模塊化，它的驅(qū)動電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成 之外，現(xiàn)在己制造出集成化的 IGBT 專用驅(qū)動電路。其性能更好，整機的可靠性更高及體積更小。 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 18 圖 EXB系列集成驅(qū)動器的內(nèi)部框圖 a） EXB850， 851（標(biāo)準(zhǔn)型） b） EXB840， 841（高速型） 集成化驅(qū)動電路的構(gòu)成及性能 下面以富士電機公司 EXBj 系列驅(qū)動器為例加以介紹。 EXB850(851 )為標(biāo)準(zhǔn)型 (最大10kHz 運行 )，其內(nèi)部電路框圖如圖 。它為直插式結(jié)構(gòu)，額定參數(shù)和運行條件可參考其使用手冊。 EXB 系列驅(qū)動器的各引腳功能如下 : 腳 1:連接用于反向偏置電源的濾波電 容器 。 腳 2:電源 (I 20V)。 腳 3:驅(qū)動輸出 。 腳 4:用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作 (大多數(shù)場合不需要該電容器 )。 腳 5:過流保護輸出 。 腳 6:集電極電壓監(jiān)視 。 腳 7, 8:不接 。 腳 9:電源 。 腳 10, 11:不接 。 腳 14, 15:驅(qū)動信號輸入 (一， +)。 由于本系列驅(qū)動器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離，因此用于交流 380V 的動力設(shè)備上。 IGBT 通常只能承受 l0181。s 的短路電流，所以必須有 快速保護電路。 EXB 系列驅(qū)動器內(nèi)設(shè)有電流保護電路，根據(jù)驅(qū)動信號與集電極之間的關(guān)系檢測過電流，其檢測電路如圖 所示。當(dāng)集電極電壓高時，雖然加入信號也認為存在過電流，但是如果發(fā)生過電流，驅(qū)動器的低速切斷電路就慢速關(guān)斷 IGBT（ lus） 的過流不響應(yīng) )，從而保證 1GBT 不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電極產(chǎn)生的電壓尖脈沖足以破壞 IGBT，關(guān)斷時的集電極波形如圖 . IGBT 在開關(guān)過程中需要一個 +15V 電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個一 5V關(guān)柵電 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 19 壓以防止關(guān)斷時的誤動作。這兩種電壓 (+15V 和一 5V)}均可由 20V 供電的驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生如圖 。 為了更好地應(yīng)用 IGBT，有關(guān)專家對 EXB841作了解剖，經(jīng)反復(fù)測試、整理，得到 EXB841的原理圖，如圖 。圖中參數(shù)均為實際測得，引腳標(biāo)號與實際封裝完全相同。 圖 a) 過電流檢測圖 b) IGBT關(guān)斷時的集電極電流波形 c) 低開啟電壓和關(guān)柵極電壓的產(chǎn)生 EXB841 由放大部分、過流保護部分和 5V 電壓基準(zhǔn)部分組成。放大部分由光藕合器ISO1 (TLP550 )、 V2, V4, V5 和 R1, Cl, R2, R9 組成，其中 ISO1 起隔離作用， V2 是中間級， V4 和 V5 組成推挽輸出。過流保護部分由 VI, V3, VD6, VZI 和 C2, R3, R4, R5, R6,C3, R7, R8, C4 等組成。它們實現(xiàn)過流檢測和延時保護功能。 EXB841 的腳 6通過快速二極管 VD7 接至 IGBT 的集電極，顯然它是通過檢測電壓 Uce 的高低來判斷是否發(fā)生短路。 5V 電壓基準(zhǔn)部分由 rl0,VZ2 和 C5 組成，既為驅(qū)動 IGBT 提供一 5V 反偏壓，同時也為輸入光耦合器 ISOl 提供負方向電源。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 1 J u n 2 0 04 S he e t o f F i l e : C : \ D o c um e nt s a n d S e t t i n g s \ U s e r \桌面 \ M y D e s i gn 1 .d dbD r a w n B y:R23. 6K 2. 2KR3R1120R82. 2KR91KR 106. 4KRG220R4R5220R7220R61KC1100pFC5V D 73VV D 6V Z 1 I G B TV6V2V1V4V51415623945CEG1I S 01AB13VV3EC422u F5. 1VV Z 2+ 20VDC21100pFC31u F 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 20 圖 EXB841的原理圖 . 注意事項及 EXB841 典型應(yīng)用電路 1 EXB841 只有 的延時，慢關(guān)斷動作時間約 8us，與使用手冊上標(biāo)明的“對 10us的過電流不動作”是有區(qū)別的。 2 由于僅有 的延時，只要大于 的過流都會使慢關(guān)斷電路工作。由于慢關(guān)斷電路的放電時間常數(shù) t2 較小，充電時間常數(shù) t3 較大，后者是前者的 10 倍，因此慢關(guān)斷電路一旦工作，即使短路現(xiàn)象很快消失， EXB841 中的腳 3 輸出也難以達到Uge=+15V 的正常值。如果 EXB841 的 C4已放電至終了值 ()，則它被充電至 20v 的時間約為 140us，與本脈沖關(guān)斷時刻相距 140us 以內(nèi)的所有后續(xù)脈沖正電平都不會達到Uge=+15V，即慢關(guān)斷不僅影響本脈沖，而且可能影響后續(xù)的脈沖。 3 由圖 ISOl由 +5V穩(wěn)壓管供電，這似乎簡化了電路，但由于 EXB841的腳 1接在 IGBT 的 E 極， IGBT 的開通和截止會造成其電位很大的跳動，可能會有浪涌尖峰，這無疑對 EXB841 可靠運行不利。另外，從其 PCB 實際走線來看，光耦合器的腳 8到穩(wěn)壓管 VZZ 的走線很長，而且很靠近輸出級 (V4, V5)，易受干擾 。 4 IGBT 開通和關(guān)斷時，穩(wěn)壓管 VZ2 易受浪涌電壓和電流沖擊，易損壞。從印刷電路板 PCB實際走線看， VZ2 的限流電阻 R10 兩端分別接在 EXB841 的腳 1 和腳 2上，在實際電路測試時易被示波器探頭等短路，從而可能損壞 VZ2，使 EXB841 不能繼續(xù)使用。 5 EXB850 和 EXB851 驅(qū)動器分別能驅(qū)動 150A / 600V, 75A /1200V, 400A / 600V, 300A門 200V 的 IGBT，驅(qū)動電路信號延遲 4Us,適用于高達 l OkHz 的開關(guān)電路。如果 IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓 尖脈沖，可增大 IGBT柵極串聯(lián)電阻 Rg來加以限制。 EXB840 / EXB841高速型驅(qū)動器分別能驅(qū)動 150A / 600V, 75A / 1200V, 400A / 600V, 200A /1200V 的IGBT，驅(qū)動電路信號延遲 lus，適用于高達 40kHz 的開關(guān)電路。 6 使用 EXB系列驅(qū)動器應(yīng)注意的問題 （ 1) 輸入與輸出電路應(yīng)分開，即輸入電路 (光耦合器 )接線遠離輸出電路，以保證有適當(dāng)?shù)慕^緣強度和高的噪音阻抗。 （ 2) 使用時不應(yīng)超過使用手冊中給出的額定參數(shù)值。如果按照推薦的運 行條件工 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 21 作， IGBT 工作情況最佳。如果使用過高的驅(qū)動電壓會損壞 IGBT，而不足的驅(qū)動電壓又會增加 IGBT 的通態(tài)壓降。過大的輸入電流會增加驅(qū)動電路的信號延遲，而不足的輸入電流會增加 IGBT 和二極管的開關(guān)噪聲 。 （ 3) IGBT 的柵、射極回路的接線長度一定要小于 lm，且應(yīng)使用雙絞線。 （ 4) 電路中的電容器 Cl 和 C2 用來平抑因電源接線阻抗引起的供電電壓變化，而不是作為電源濾波用。 （ 5) 增大 IGBT 的柵極串聯(lián)電阻 Rg，抑制 IGBT 集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖。 最后，再談一下 IGBT 的保護 問題。因為 IGBT 是由 MOSFET 和 GTR 復(fù)合而成的，所以 IGBT 的保護可按 GTR, MOSFET 保護電路來考慮。主要是柵源過壓保護、靜電保護、準(zhǔn)飽和運行、采用 RCVD 緩沖電路等等。這些前面已經(jīng)講過，故不再贅述。另外應(yīng)在IGBT 電控系統(tǒng)中設(shè)置過壓、欠壓、過流和過熱保護單元，以保證安全可靠工作，應(yīng)該指出，必須保證 IGBT 不發(fā)生擎住效應(yīng)。具體做法是，實際中 IGBT 使用的最大電流不超過其額定電流。 圖 EXB841典型應(yīng)用電路 第 3 章 高頻逆變電源的主電路 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 22 系統(tǒng) 的構(gòu)成及工作原理 主電路的設(shè)計參數(shù) 課題主要技術(shù)要求如下 : 直流側(cè)輸入電壓 :75130V 波動 輸出交流電壓 :110V 輸出交流電頻率 :20kHz 容量 :2kW pWM軟開關(guān)高壓逆變電源的電路設(shè)計與分析 電源的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 逆變電源的整體結(jié)構(gòu)簡化框圖如圖 3一 9所示，現(xiàn)將工作原理簡要介紹如下 : 三相 38OV工頻交流電整流濾波后，變成 O一 500V可調(diào)直流電壓，然后該直流電壓經(jīng) IGBT逆變后，再由功率變壓器升壓輸出。電路中整流部分采用三相全橋可控整流，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角而得到 0 一 500V 直流可調(diào)電壓，從而達到控制輸出功率與方便調(diào)試的目的。其主要電路圖如圖 310 所示。工作原理在這里不詳述。 三相 三相 全橋可控整流 電源 濾波 全橋逆變 功率變壓器 負載 切斷 電源 觸發(fā) 器 觸發(fā) 封鎖 驅(qū)動 移相脈沖 過流 保護 脈沖 封鎖 圖 39 2kVA高頻逆變電源設(shè)計 23 三相全橋整流電路觸發(fā)器 圖 310 IGBT 全橋逆變電路結(jié)構(gòu)如圖 3 一 10 所示，采用移相式 PWM 控制方式，可實現(xiàn)零電 壓開 通與關(guān)斷，開關(guān)器件的開關(guān)損耗很小，其詳細的工作原理將在下一節(jié)分析。移相脈沖是利用 Micro Linear公司的專用移相控制芯片 ML4818 產(chǎn)生的。該芯片是單電源供電，具有四路脈沖輸出，通過調(diào)節(jié)外接電阻阻值可以方便地調(diào)制四路脈沖的相位、頻率與寬度，因此， ML4818 是一種理想的全橋逆變驅(qū)動脈沖控制芯片。