【正文】 s 小于開啟電壓 VT 時， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。一般電壓的最佳值可取 15V 左右。當(dāng)柵源電壓大于開啟電壓， IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，由圖 26(b)可以看出， IGBT 由 GTR晶體管和 MOSFET 組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，其中 GTR 為主晶體管， MOSFET 為驅(qū)動元件。漂移區(qū)電阻，一般稱為擴(kuò)展電阻。在這種情況下，通態(tài)電壓 VDS(on)可用 式 (21)表示 ： D S( on ) J 1 dr D onV V V I R? ? ? (21) 式 (21)中 VJ?是 J?結(jié)的正向電壓，其值為 。與功率 MOSFET 相比 IGBT 通態(tài)壓降要小得多，耐壓 1000V 的 IGBT約有 2~5V 的通態(tài)壓降，這是因為 IGBT 通態(tài)下漏區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。因而載流子在基區(qū)復(fù)合的機(jī)會減小，所以基極電流隨集電極反偏電壓增大而減小，也就是基區(qū)有效電導(dǎo)減小。 (2)動態(tài)特性。 如圖 28 所示，從驅(qū)動電壓 VGE 的前沿上升至其幅值的 10%的時刻，到集電極電流 IC上升至其幅值的 10%的時刻止，這段時間為開通延遲 td(on)。同樣，開通時間 ton 為開通延遲時間與電流上升時間之和。前者為 IGBT 中 MOSFET 單獨工作的電壓下降；后者為 MOSFET 和 PNP 晶體管同時工作的電 壓下降過程。 IGBT 開通過程中大部分時間是作為 MOSFET 來運行的。集電極電流從 90%ICM 下降至 10%ICM 這段時間為電流下降時間，二者之和為關(guān)斷時間。其中 tfi1對應(yīng) IGBT 內(nèi)部的 MOSFET 的關(guān)斷過程，此時間段內(nèi) IC下降較快； tfi2對應(yīng) IGBT 內(nèi)部的 PNP 晶體管的關(guān)斷過程，此時間段 IC下降較慢。 (2)最大集電極電流：包括額定直流電 流 ICE和 1ms 脈寬最大電流 ICP。 IGBT 的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) 在 IGBT 的內(nèi)部寄生著一個晶閘管，在晶閘管內(nèi)的 NPN晶體管的基極和發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，當(dāng)超過額定集電極電流時，由于電阻的壓降過大會導(dǎo)致柵極失去對集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流過大，造成 器件功耗過高而損壞，這種現(xiàn)象被成為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此，所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。它隨 IGBT 關(guān)斷時的 CE/dV dt 而改變，過高的 CE/dV dt 會使 IGBT 產(chǎn)生動態(tài)擎住效應(yīng)，因此 CE/dV dt 越大 ,RBSOA越小。 IGBT 開關(guān)管的驅(qū)動及保護(hù) 三相逆變器中，一個優(yōu)化的驅(qū)動器在功率變換系統(tǒng)中是不可或缺的，他是功率晶體管和控制器之間非常重要的接口電路，因此，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路就和逆變器整體方案的可靠性密切相關(guān)，與此同時，驅(qū)動電路還要具備最廣泛的系統(tǒng)適應(yīng)性和用戶接口的友好性。同時驅(qū)動器還要考慮靈活性、性能與價格之間的關(guān)系 。 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)動電路來產(chǎn)生。圖 29 為一種 典型的 IGBT 驅(qū)動電路原理示意圖 [6]。 本設(shè)計對 IGBT 柵極驅(qū)動電路的要求主要有： (1)柵極驅(qū)動電壓 IGBT 開通時，正向柵極電壓的值足夠令 IGBT 產(chǎn)生完全飽和，并使得通 態(tài)損耗減至最小，同時也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功 率應(yīng)力。當(dāng)柵極電壓為零時， IGBT 處于斷態(tài)。反向偏壓應(yīng)該在 5~15V 之間。IGBT 的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對 IGBT 的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。所以，較小的柵極電阻增強(qiáng)了器件工作的耐固性 (可避免 /dv dt 帶來的誤導(dǎo)通 )，但與此同時，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極 發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。電源的最大峰 值 電流IGPK為 式 (24)： G PK G E g()I U R? ? ? (24) 電源平均功率為 式 (25)： A V G E g SP U Q f? ? ? ? (25) IGBT 開關(guān)管的驅(qū)動 通過對 IGBT 開關(guān)管驅(qū)動的集成電路的比較，把逆變單元 IGBT 的驅(qū)動和主電路電流的檢測分 別由不同的電路來完成，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。 EXB841 集成芯片是專用于 IGBT 的集驅(qū)動、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 400A、 600V的功率 IGBT 模塊，驅(qū)動電路中的信號延遲 ≤，具有以下特點： (1)可用于達(dá)到 40kHz 開關(guān)頻率工作的 IGBT。 (3)單電源的供電電壓使 其應(yīng)用起來更為方便 。 (5)具有 過流檢測輸出信號 。 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 個外部引腳 (引腳 12 和 13為空 )。 表 21 管腳名稱類型 及 功能說明 引腳號 名稱 功能或用法 1 驅(qū)動脈沖輸出相對地端 使用中接被驅(qū)動的 IGBT 發(fā)射極 2 輸出功率放大級電源連接端 使用中接用戶提供的 +20V 電 源 3 驅(qū)動脈沖輸出端 接被驅(qū)動的 IGBT 的柵極 11 空端 使用中懸空 5 過電流保護(hù)動作信號輸出端 接用戶外接報警光耦合 器一次側(cè)二極管的陰極 6 過電流保護(hù)取樣信號連接端 通過一個快恢復(fù)二極管接被動的 IGBT 集電極 9 驅(qū)動輸出級電源地端 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)動信號輸入連接負(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)動信號輸入連接正端 通過一個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 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)信號隔離電路：在驅(qū)動信號輸入腳 (引腳 14和 15)之間，有一個高隔離電壓的光耦合器，可以承受 2500V/min的故障電壓。 (2)過 流保護(hù)電路：過流保護(hù)電路分為兩塊：過流檢測電路和過流軟關(guān)斷電路。s的短路過流，所以必須有極快的保護(hù)電路。引腳 6通過一個快速二極管連接到 IGBT的集電極，用于過流的檢測。 圖 212 集電極電 流 檢測法邏輯圖 由圖 212可知，當(dāng)且僅當(dāng) IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時，集電極電壓 VCE為高時， EXB841判斷為出現(xiàn)過流，過流軟關(guān)斷電路同時進(jìn)入工作狀態(tài)。因此，在出現(xiàn)過流時，應(yīng)該采用軟關(guān)斷的策略，即延長 IGBT的關(guān)斷時間，減小 /di dt ，避免擎住效應(yīng)的發(fā)生。 畢業(yè)設(shè)計 17 驅(qū)動電壓產(chǎn)生電路： IGBT是電壓控制型器件，推薦的開通和關(guān)斷驅(qū)動電壓為+15V和 5～ 10V。 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 1μs以后 IGBT正常開通， 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，所以不會被擊穿， V?不導(dǎo)通， E點的電位約為 20V,二極管 VD?截止，不影響 V?和 V?正常工作。 C?的放電使得 B點電位為0V，則 VS?仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動作， IGBT正常關(guān)斷。由 EXB841實現(xiàn)過流保護(hù)的過程可知， EXB841判定過電流的主要依據(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]。s 導(dǎo)通時間 2 oft 181。s 過流保護(hù)延遲時間 ocpt 10 181。s 反向 偏置電源電壓 RBU 5 181。使用時必須嚴(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。如果采用其他不滿足這種性能指標(biāo)的二極管，將會降低驅(qū)動保護(hù)電路過流保護(hù)的速度，造成過流保護(hù)的失敗。保護(hù)電路部分中， TLP521 的信號延遲時間為 23181。因此，保護(hù)電路在信號響應(yīng)上是足夠快的。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， RS 觸發(fā)器將 Q 端 輸出的高電平鎖住，當(dāng)排除故障后，可以按動復(fù)位按鈕，解除對柵極控制信 號的封鎖。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。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。對濾波器設(shè)計的基本要求是： (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 。 (3)濾波電感基波壓降小，負(fù)載變化所引起的輸入、輸出電壓波動小 。 輸出濾波器的設(shè)計 本設(shè)計的輸出濾波器采用 單級 LC 低通濾波器 ,其原理圖如圖 215 所示。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。傳通條件為 121 / 0ZZ? ? ? ，即 2f1 ( / ) 0j L R?? ? ?，故可得 式 (210)： f0 LR??? (210) 當(dāng) 1f0ZL?? ?? ? 時， ω必定為零，此為通頻帶的最低角頻率： 當(dāng) 1fZ L R?? ?? ? 時，則fC/RL????， 此 為 通 頻 帶 的 最 高 角 頻 率 ， 即 為 濾 波 器 截 止 頻 率 。 實際中 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。 R 的選取則為R=(~)RL(負(fù)載電阻 )。從而可以確定三相輸出濾波器的構(gòu)成 [11]。 （ 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，其效果基本相同。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。例如圖 31(a),(b),(c)所示的 3 個窄脈沖形狀不同 ,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)他們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。 面積等效原理是 PWM 控制技 術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，其基本原理就是輸入的控制脈沖形狀不同，但面積相等，這些形狀不同的輸入脈沖加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同，如果輸入脈沖變?yōu)閱挝幻}沖函數(shù)時，環(huán)節(jié)響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。如圖把一個正弦波分作幾等分 (如圖 32 上圖 中， n=12)然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分畢業(yè)設(shè)計 23 的 中點相重合 (如 圖 32 下圖所示 )，這樣由幾個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作 SPWM 波形。 圖 32 與正弦波等效的等幅不等寬矩形脈沖序列波 圖 33 為 SPWM 濾波線為等效正弦波 m1sinUt? ,SPWM 脈沖序列波的幅值為/2SU ,各脈沖不等寬，但中心間距相同為 /n? ， n 為正弦波半個周期內(nèi) 的脈沖數(shù)，令第 i 個矩形脈沖寬度為 i? ,其中心點相位角為 i? ，則根據(jù)面積相等的等效原則，可分成： /2i S m 1/2( / 2 ) s in ( )iiU U td t????? ? ???? ? m c o s ( ) c o s ( )22iiU nn??????? ? ? ????? m2 si n si n2 iU n? ?? 當(dāng) n 值較大時： sin22nn??? m2 si n /iSU nU? ? ?? 這就是說，第 i 個 脈沖的寬度與該處正弦波值近似成正比，因此半個周期正弦波的 SPWM 波是兩側(cè)窄，中間寬，脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。 U、 V 和 W 三相的 PWM 控制通常公用一個三角波載波CU，三相的調(diào)制信號 rUU 、 rVU 和 rWU 依次相差 120176。當(dāng)CrUUU?時，給上橋臂 V?以導(dǎo)通信號，給下