電能分為交流電能與直流電能，由交流電能變?yōu)橹绷麟娔艿倪^(guò)程稱為整流，由直流電能變?yōu)榻涣麟娔艿倪^(guò)程稱為逆變。逆變器就是一種完成直流電能向交流電能變換的裝置。
交流電機(jī)一般采用交-直-交逆變電源的供電方式，即現(xiàn)在電網(wǎng)提供的交流電通過(guò)整流、濾波變成直流電，再通過(guò)逆變器將直流電變成所需要的交流電源，給電機(jī)供電。因此逆變器是其中較關(guān)鍵的技術(shù)裝置之一。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，IGBT越來(lái)越多的被應(yīng)用到交流傳動(dòng)技術(shù)中。本文主要分析IGBT構(gòu)成的交流傳動(dòng)用逆變器的主電路結(jié)構(gòu)，包括主電路形式、驅(qū)動(dòng)電路與緩沖吸收保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)。
1 主電路結(jié)構(gòu)原理圖
圖1為典型的逆變器結(jié)構(gòu)原理圖。它由三部分組成：逆變電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、控制與信號(hào)采集電路。
逆變電路主要負(fù)責(zé)電能轉(zhuǎn)化，即將輸入的直流電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)負(fù)載可用的三相交流電能，為電機(jī)提供能源。圖2所示為逆變電路原理圖，這個(gè)逆變電路由6個(gè)絕緣柵雙極晶體管T1～T6及續(xù)流二極管D1～D6組成。通過(guò)控制IGBT管T1～T6的通關(guān)斷將輸入的直流電源逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電輸出到三相電機(jī)。其續(xù)流二極管D1～D6的作用是當(dāng)T1～T6由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，為儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)線圈中的電能提供釋放通道；當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，為再生電流提供回流到直流電源的通道。
2 保護(hù)吸收電路結(jié)構(gòu)
由于電路中分布電感的存在，加之IGBT開(kāi)關(guān)速度較高，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆相恢復(fù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt，從而威脅IGBT的安全。因此必須采取措施抑制浪涌電壓，保護(hù)IGBT不被損壞。可以采用加裝保護(hù)吸收電路的辦法來(lái)抑制浪涌電壓。其原理圖如圖3所示，該保護(hù)吸收電路有良好的抑制效果，具有保護(hù)吸收中發(fā)生損耗小的優(yōu)點(diǎn)。
2.1 保護(hù)電路原理分析
以開(kāi)關(guān)管T1關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)來(lái)分析吸收電路的工作原理，其工作過(guò)程可分為：線性化換流、母線寄生電感Lp諧振能量和吸收電容Cs放點(diǎn)共3個(gè)階段。
線性化換流階段從開(kāi)關(guān)管T1接收關(guān)斷信號(hào)開(kāi)始到開(kāi)關(guān)管T1全截止結(jié)束。流過(guò)母線寄生電感Lp的母線電流經(jīng)T1和吸收電路2條支路分流。
在線性化換流階段結(jié)束后，開(kāi)關(guān)管T1完全截止。此時(shí)，主回路寄生電感Lp與吸收電容Cs產(chǎn)生諧振，Lp中儲(chǔ)存的能量向Cs轉(zhuǎn)移。當(dāng)吸收電容上電壓達(dá)到最大值，即諧振峰值時(shí)，諧振電流i為零，吸收電路二極管D2截止，箝位電壓防止有振蕩。
在第二階段結(jié)束之后，吸收電容Cs上過(guò)沖能量通過(guò)吸收電阻R、電源和負(fù)載放電。在放電過(guò)程中，近似認(rèn)為負(fù)載是恒流源。
2.2 元件參數(shù)選取
a.緩沖電容Cs選取
緩沖電路中緩沖電容Cs的電容取值為：
其中，L是主電路的寄生電感，Io為IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流，VCEP是緩沖電容器電壓最終到達(dá)值，Ed為直流電源電壓。
b.緩沖電阻Rs的取值
緩沖電阻的作用是在IGBI下一次關(guān)斷前，將緩沖電容器電荷釋放。因此在IGBT進(jìn)行下一次動(dòng)作之前，在儲(chǔ)存電荷的90%放電條件下，緩沖電阻取值公式應(yīng)滿足下列公式：
其中，f為交換頻率。
3 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)
要保證IGBT工作可靠，其驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用。
3.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路要求
IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求主要有以下幾點(diǎn)：
(1)驅(qū)動(dòng)電路必須十分可靠，要保證為IGBT的柵極電容提供一個(gè)低阻抗的充放電回路；
(2)在滿足開(kāi)關(guān)特性和功耗允許的情況下，門極電阻可以適當(dāng)增大，用于限制瞬時(shí)壓降尖峰；
(3)驅(qū)動(dòng)電路能夠傳遞kHz級(jí)的高頻脈沖信號(hào)；
(4)IGBT門極與發(fā)射極電壓極限壓降為±20V。通常選用正向驅(qū)動(dòng)電壓為+15V，反向驅(qū)動(dòng)電壓為-8V。
3.2 M57959L構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路
根據(jù)上述驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原則，按照不同要求可以設(shè)計(jì)出多種形式的驅(qū)動(dòng)電路。常用的驅(qū)動(dòng)電路有分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和專用集成驅(qū)動(dòng)電路。相對(duì)于分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，專用集成驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)、集成化程度高、速度快、保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT的最佳驅(qū)動(dòng)。
M57959L是日本三菱公司生產(chǎn)的混合集成IGBT驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由高速光電隔離輸入，絕緣強(qiáng)度高，可與TTL電平兼容。內(nèi)藏定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，并具有保護(hù)延時(shí)特性。芯片由正負(fù)電源供電，克服了單電源供電時(shí)負(fù)電壓不穩(wěn)的缺點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率大，可驅(qū)動(dòng)200A/600V或100A/1200V的IGBT模塊。由M57959L構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。
使用時(shí)應(yīng)注意柵極電阻的取值。柵極電阻Rext的取值能夠影響振蕩的抑制效果、減緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)的di/dt、改善電流上沖波形、減小浪涌電壓。從安全角度考慮，Rext應(yīng)取較大值，但是較大的Rext影響開(kāi)關(guān)速度，增加開(kāi)關(guān)損耗；從提高工作頻率出發(fā)，應(yīng)取較小值。在滿足開(kāi)關(guān)頻率的情況下，應(yīng)取較大的Rext。
4 主電路安裝與布局
由于IGBT開(kāi)關(guān)頻率非常快，同時(shí)功率也很高，由IGBT構(gòu)成的逆變器會(huì)對(duì)其他部件產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾。這些干擾不僅影響電路的正常工作，甚至有可能會(huì)使逆變器因?yàn)樗矔r(shí)短路而損壞。因此，應(yīng)對(duì)電磁干擾給予足夠的重視，而合理的安裝與布局能夠減少電磁干擾。
常見(jiàn)的干擾及相應(yīng)的措施有：
(1)隔離供電抑制IGBT開(kāi)關(guān)干擾由于供電變壓器的分布電容和耦合電感的影響，當(dāng)其中一個(gè)IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)尖峰脈沖會(huì)通過(guò)分布電容(電感)干擾其它IGBT的正常工作。因此，全橋逆變器的每一個(gè)觸發(fā)電路必須隔離供電來(lái)抑制這種干擾。
(2)由于逆變器的平均工作電流和瞬時(shí)峰值電流很大，逆變電路中的漏電感，甚至很小的引線電感也不能忽略。如果不仔細(xì)設(shè)計(jì)PCB的布局，這些磁通會(huì)穿過(guò)閉合的PCB導(dǎo)線而形成電流。為此，可采取以下措施抑制干擾：
a，每一個(gè)IGBT的觸發(fā)電路元件應(yīng)集中在一個(gè)狹窄的區(qū)域，避免互相交叉；
b，同一相位的觸發(fā)電路應(yīng)相鄰，而兩組之間距離應(yīng)相對(duì)較遠(yuǎn)；
c，PCB與IGBT之間的引線應(yīng)盡可能短并互相絞合。
5 IGBT電壓電流參數(shù)選取
在保護(hù)吸收電路中，當(dāng)T1導(dǎo)通，T2截止時(shí)，T2承受的電壓Uce2為：
考慮電網(wǎng)波動(dòng)為+/-10%，T2成熟的電壓為Uce2為：
再考慮到電路中開(kāi)通關(guān)斷瞬時(shí)電壓，及IGBT模塊承受電壓應(yīng)留有50%～80%的裕量，其所選模塊電壓BVce應(yīng)為：
考慮電網(wǎng)的波動(dòng)、啟動(dòng)時(shí)電流尖峰的影響，選擇的IGBT模塊Icm為：
其中，Pn為逆變器輸出功率。δ為脈沖占空比，η為逆變器效率。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文主要介紹了IGBT構(gòu)成的電機(jī)傳動(dòng)用逆變器的主電路組成及IGBT參數(shù)選擇，驅(qū)動(dòng)電路、緩沖吸收電路的組成及參數(shù)選擇以及主電路安裝和布局應(yīng)注意的問(wèn)題，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的逆變器設(shè)計(jì)有一定價(jià)值。