igbt三相逆变电源的设计

igbt三相逆变电源的设计内容摘要：

误 !未找到引用源。 到 10％ 错误 !未找到引用源。 所需的时间， 错误 !未找到引用源。 定义为 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 从 10％ 错误 !未找到引用源。 上升至 90％ 错误 !未找到引用源。 所需要的时间，如图。 图 IGBT 的开关特性 IGBT 的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。 关断时间错误 !未找到引用源。 定义为从驱动电压 错误 !未找到引用源。 的脉冲后沿下降到90％ 错误 !未找到引用源。 处起至集电极电流下降到 10％ 错误 !未找到引用源。 处所经过的时间。 错误 !未找到引用源。 又可分为关断延迟时间 错误 !未找到引用源。 和电流下降时间 错误 !未找到引用源。 两部分。 错误 !未找到引用源。 是从 90％ 错误 !未找到引用源。 至 90％ 错误 !未找到引用源。 所需的时间； 错误 !未找到引用源。 是指90％ 错误 !未找到引用源。 下降至 10％ 错误 !未找到引用源。 所需的时间， 错误 !未找到引用源。 由 错误 !未找到引用源。 (由 IGBT中的 MOS管决定 )和 错误 !未找到引用源。 (由 IGBT中的 错误 !未找到引用源。 晶体管决定 )两部分组成。 IGBT 的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及结温等参数有关。 随着集电 IGBT三相逆变电源设计 8 极电流 错误 !未找到引用源。 和栅极电阻 错误 !未找到引用源。 的增加，其中 错误 !未找到引用源。 对开关时间影响较大。 (2) IGBT的通态压降低。 在大电流段是同一耐压规格的 VDMOS的 1/10左右。 在小电流段的 1/2额定电流以下通态压降有负温度系数，因此 IGBT在并联使用是具有电流自动调节能力。 (3) IGBT 的集电极电流最大值 错误 !未找到引用源。 在 IGBT 管中由 错误 !未找到引用源。 来控制 错误 !未找到引用源。 的大小，当 错误 !未找到引用源。 大到一定的程度时， IGBT中寄生的 NPN和 PNP晶体管处于饱和状态，栅极 G失去对集电极电流 Ic 的控制作用，这叫擎住效应。 IGBT 发生擎住效应后， 错误 !未找到引用源。 大、功耗大，最后使器件损坏。 为此，器件出厂时必须规定集电极电流的最大值 错误 !未找到引用 源。 ，以及与此相应的栅极－发射极最大电压 错误 !未找到引用源。 集电极电流值超过 错误 !未找到引用源。 时， IGBT产生擎住效应。 另外器件在关断时电压上升率 错误 !未找到引用源。 太大也会产生擎住效应。 (4) IGBT的安全工作区比 GTR宽，而且还具有耐脉冲电流冲击的能力。 IGBT在开通时为正向偏置，其安全工作区称为正偏安全工作区 FBSOA，如图 (a)所示， IGBT 的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。 IGBT 在关断时为反向偏置，其安全工作区称为反偏安全工作区 RBSOA，如图 (b)所示，RBSOA 与电压上升率 错误 !未找到引用源。 有关， 错误 !未找到引用源。 越大，RBSOA 越小。 在使用中一般通过选择适当的 UCE 和栅极驱动电阻控制 错误 !未找到引用源。 ，避免 IGBT因 错误 !未找到引用源。 过高而产生擎住效应。 IGBT三相逆变电源设计 9 图 IGBT 的安全工作区 (5)IGBT的输入阻抗高，可达 109－ 1011欧姆数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与 VDMOS相似。 (6)与 VDMOS 和 GTR 相比， IGBT 的耐压可以做得更高，最大允许电压UCEM可达到 4500伏以上。 (7)IGBT 的最高允 许结温为 错误 !未找到引用源。 VDMOS 的通态压降随结温升高而显著增加，而 IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。 IGBT 的保护 IGBT与电力 MOSFET管一样具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，故在存放和测试时应采取防静电措施。 IGBT 作为一种大功率电力电子器件常用于大电流、高电压的场合，对其采取保护措施，以防器件损坏显得非常重要。 IGBT 应用于电力系统中，对于正常过载（如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及 负载的突变等）系统能自动调节和控制，不至于损坏 IGBT。 对于非正常的短路故障要实行过流保护。 通常的做法是： (1) 切断栅极驱动信号。 只要检测出过流信号，就在 2us 内迅速撤除栅极信号。 (2) 当检测到过流故障信号时，立即将栅压降到某一电平，同时启动定时器，在定时器到达设定值之前，若故障消失，则栅压又恢复到正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则把栅压降低到零。 这种保护方案要求保护电路在 IGBT三相逆变电源设计 10 12s 内响应。 利用缓冲电路能对 IGBT实行过电压抑制并抑制过量的电压变化率 错误 !未找到引用源。 但由于 IGBT 的安全工作区宽，因此，改变栅极电阻的大小，可减弱 IGBT对缓冲电路的要求。 然而，由于 IGBT控制峰值电流能力比 VDMOS强，因此在有些应用中可不用缓冲电路。 利用温度传感器检测 IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸以实现过热保护。 通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；完成整流功能的电路叫做整流电路。 与之相对应，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路则称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设 备或逆变器。 现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学。 这们学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、半导体变流技术、脉宽调制（ PWM）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用技术。 现代逆变技术种类很多，其主要的分类方式如下： (1) 按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变（ 50∽ 60Hz）、中频逆变(400Hz到十几 KHz)、高频逆变 (十几 KHz到 MHz)。 (2) 按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 (3) 按输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。 (4) 按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 (5) 按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、 IGBT逆变等等。 IGBT三相逆变电源设计 11 (6) 按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。 (7) 按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆 (8) 按控制方式，可分为调频式（ PFM）逆变和调脉宽式（ PWM）逆变 . (9) 按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。 图 (a)为单相桥式逆变电路， S1S4 是桥式电路的 4 个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。 当开关 S S4闭合， S S3断开时，负载电压 错误 !未找到引用源。 为正；当开关 S S4断开， S S3闭合时， ou 错误 !未找到引用源。 为负，其波形如图 (b)所示。 这样，就把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。 这就是逆变电路的最基本的工作原理。 (a) (b) 图 当负载为电阻 io时。 t1负载电流 io 和电压 uo的波形 形状相同，相位也相同。 当负载为阻感时， i0相位 uo滞后于 错误 !未找到引用源。 ，两者波形的形状也不同，图 (b)给出的就是阻感负载时 错误 !未找到引用源。 波形。 设 错误 !未找到引用源。 uo 时刻以前 S S4导通 错误 !未找到引用源。 uo 和 io均为正。 在 uo 刻断开 S S4，同时合上 S S3，则 uo的极性立刻变为负。 但是因为负载中有电感，其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向。 这时负载电流从直流电源 负极流出，经 S负载和 S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到 t2 时刻降为零，之后 i0才反向并逐渐增大。 S S3断开，S S4闭合时的情况类似。 上面是 S1S4均为理想开关时的分析，实际电路的S1 S2 S4 S3 Uo Ud 1t IGBT三相逆变电源设计 12 工作过程要复杂一些。 图 中， S S2 表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。 在换流过程中，有的臂从导通到关断，有的臂从关断到导通。 要使某一臂导通，只要给组成该导电臂的器件的控制极施加适当的信号， 但要使某一臂关断，情况就复杂多了。 全控型器件可以用适当的控制极信号使其关断，而半控型晶闸管，必须利用外部条件或采取一定的措施才能使其关断。 晶闸管要在电流过零以后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。 S1 S2i 图 换流 一般来说，换流方式可分为以下几种： (1) 器件换流。 利用全控型电力电子器件自身具有的关断能力进行换流，称为器件换流。 (2) 电网换流。 由电网提供换流电压称为电网换流。 整流电路的换流方式就是电网换流。 (3) 负载换流。 由负载提供换流电压，凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可实现负载换流。 (4) 脉冲换流。 设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。 脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流两种。 在上述四种换流方式中，器件换流只适应于全控型器件，其余三种方式主要 IGBT三相逆变电源设计 13 是针对晶闸管而言。 逆变电路根据直流侧电源的性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。 在本文中，我们主要讨论三相电压型逆变 电路的基本构成、工作原理和特性，图。 图 三相电压型逆变电路 电压型逆变电路有以下一些特点： ，或并联有大电容，相当于电压源。 直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 ，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。 而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 ，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。 下面，我们讨论 一下三相全桥电压型逆变电路。 在图 所示电路中，电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点 错误 !未找到引用源。 和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是 错误 !未找到引用源。 80176。 导电方式，即每个桥臂的导电角度为 错误 !未找到引用源。 80176。 ，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差 错误 ! IGBT三相逆变电源设计 14 未找到引用源。 这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。 可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。 因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。 图 以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。 对于 U相输出来说，当桥臂 1导通时， 错误 !未找到引用源。 ，当桥臂 4导通时， 错误 !未找到引用源。 因此， uUN’的波形是幅值为 错误 !未找到引用源。 的矩形 波。 V、 W两相的情况和 U相类似， uUN’、 uWN’的波形状 和 错误 !未找到引用源。 相同，只是相位依次差 120176。 负载线电压可由下式 求出： 错误 !未找到引用源。 () 设负载中点 N与直流电源假想中点 错误 !未找到引用源。 ’之间的电压为 uNN’，则负载各相的相电压分别为： IGBT三相逆变电源设计 15 错误 !未 找到引用源。 39。 NN W N 39。 WN N N 39。 VN 39。 VN N N 39。 UN 39。 UNuuuuuuuuu () 三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图。 下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。 把输出线电压展开成傅里叶级数得： 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 () 式中， ， 错误 !未找到引用源。 为自然数。 输出线电压 有效值为 2 201 0 . 8 1 62U V U V dU u d t U  () 基波幅值 错误 !未找到引用源。 和基波有效值 错误 !未找到引用源。 分别为 错误 !未找到引用源。 ； 错误 !未找到引用源。 () 接下来，我们再对负载相电压 错误 !未找到引用源。 进行分析。 把 错。