IGBT電路的逆變器設(shè)計(jì)與分析：

　　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^程稱為整流，由直流電能變?yōu)榻涣麟娔艿倪^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)提供的交流電通過整流、濾波變成直流電，再通過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)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

　　以開關(guān)管T1關(guān)斷時(shí)刻為起點(diǎn)來分析吸收電路的工作原理，其工作過程可分為：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關(guān)管T1接收關(guān)斷信號(hào)開始到開關(guān)管T1全截止結(jié)束。流過母線寄生電感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上過沖能量通過吸收電阻R、電源和負(fù)載放電。在放電過程中，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+15 V，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、減緩開關(guān)開通時(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影響開關(guān)速度，增加開關(guān)損耗;從提高工作頻率出發(fā)，應(yīng)取較小值。在滿足開關(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。

　　常見的干擾及相應(yīng)的措施有：

　　（1）隔離供電抑制IGBT開關(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

　　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)注意的問題，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的逆變器設(shè)計(jì)有一定價(jià)值。

　　數(shù)字化IGBT模塊化的設(shè)計(jì)：

　　1引言

　　隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，大功率器件在軌道交通、直流輸電、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的市場迅猛發(fā)展，其中以IGBT器件表現(xiàn)尤為突出，在具體的應(yīng)用工況中，每一個(gè)IGBT模塊都需要一個(gè)專門的驅(qū)動(dòng)器，IGBT驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT的運(yùn)行性能有著重大影響［1-3］。

　　傳統(tǒng)利用模擬電路實(shí)現(xiàn)的IGBT驅(qū)動(dòng)器技術(shù)較成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，但是由于其驅(qū)動(dòng)器各參數(shù)設(shè)置大都采用硬件實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整比較復(fù)雜，不同型號(hào)的IGBT必須設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)器，本文利用數(shù)字控制器對(duì)柵極控制，可以靈活的修改驅(qū)動(dòng)器的軟件參數(shù)設(shè)置，來調(diào)整IGBT工作的性能，對(duì)于不同的IGBT型號(hào)，只需要加載不同的驅(qū)動(dòng)程序，即可以解決傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的型號(hào)匹配問題。

　　如圖1示，驅(qū)動(dòng)器主要包括：高等級(jí)隔離電源、光纖通信接口、功率放大電路、檢測保護(hù)電路、數(shù)字控制器等五部分。

　　2.1高等級(jí)隔離電源

　　高壓IGBT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，電源設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分之一，電源的輸出功率決定了IGBT在實(shí)際工作中能夠使用的工作頻率，如果電源輸出功率不足，可能會(huì)在IGBT器件高頻工作時(shí)，出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，導(dǎo)致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

　　本設(shè)計(jì)中采用Ti公司的LM5025芯片設(shè)計(jì)反激式DC-DC電路（電路圖見圖2），電路中的初級(jí)具有電流檢測軟起動(dòng)功能，當(dāng)電流檢測電阻上的壓降達(dá)到0.25V時(shí)，對(duì)電源起到很好的過流保護(hù)作用。

　　2.2光纖通信接口

　　在用戶主控系統(tǒng)通信的接口設(shè)計(jì)上，選擇抗干擾能力強(qiáng)的光纖通信，防止控制信號(hào)被干擾出現(xiàn)誤觸發(fā)。光纖選用HFBR-1522、HFBR-2522，光纖電路如圖3。

　　2.3功率放大電路

　　選擇導(dǎo)通阻抗非常低的mosFET作為開關(guān)器件，構(gòu)成IGBT柵極功率輸出電路，如圖4，同時(shí)，采用多個(gè)柵極電阻切換的方式，實(shí)現(xiàn)不同條件下對(duì)IGBT性能的調(diào)整。在IGBT正常開關(guān)時(shí)，可以通過調(diào)整柵極電阻來控制器件的開關(guān)速度，達(dá)到優(yōu)化器件效率的目的。在IGBT出現(xiàn)工作異常時(shí)（例如短路），可以通過調(diào)整柵極電阻來控制器件的工作狀態(tài)，防止器件損壞達(dá)到保護(hù)器件的目的。

　　2.4檢測保護(hù)電路

　　為防止IGBT器件工作中出現(xiàn)任何異常故障，驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)IGBT的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)異常，驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)采取保護(hù)動(dòng)作，并通知主控器。

　　欠壓檢測：目前各個(gè)IGBT廠商推薦IGBT器件工作時(shí)的柵極電壓為±15V（柵極最大承受電壓為±20V），如果IGBT器件在工作中出現(xiàn)低于15V的情況，根據(jù)IGBT器件飽和壓降VCE與柵極電壓的關(guān)系（如圖5示），隨著柵極電壓的下降，IGBT飽和壓降會(huì)增加，造成IGBT器件損耗增加，有可能會(huì)損壞器件，所以，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出柵極的電壓進(jìn)行檢測，如果出現(xiàn)欠壓開通情況，驅(qū)動(dòng)器要立即進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當(dāng)器件開通時(shí)柵極出現(xiàn)高于+15V電壓，器件如果出現(xiàn)故障會(huì)出現(xiàn)比正常工況更大的短路電流，所以驅(qū)動(dòng)器必須確保柵極開通電壓處于合理的范圍內(nèi)。

　　Vce電壓檢測：Vce電壓檢測可以為數(shù)字控制器提供IGBT器件參數(shù)，控制器通過Vce電壓可以判斷IGBT的工作狀態(tài)，從而采取對(duì)應(yīng)的策略對(duì)IGBT進(jìn)行不同的控制方式。

　　過壓保護(hù)：在IGBT器件關(guān)斷過程中，由于母線回路寄生電感的存在，關(guān)斷電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓過沖尖峰，過沖幅值為△V=Ls*di/dt，如果尖峰電壓超過IGBT器件的額定電壓，IGBT器件會(huì)被擊穿，造成器件損壞。

　　過壓保護(hù)電路采用的是TVS管與限流電阻串聯(lián)的方式，由集電極接入柵極（如圖6示），當(dāng)關(guān)斷過程中集電極出現(xiàn)超過設(shè)定值（設(shè)定值小于IGBT額定值）的電壓尖峰時(shí)，TVS管反向?qū)ǎㄟ^限流電阻向柵極注入電流，減慢IGBT關(guān)斷速度（減小di/dt），從而達(dá)到限制電壓尖峰的目的。用戶根據(jù)具體的應(yīng)用工況，選擇適合的TVS管的數(shù)量和單個(gè)TVS擊穿電壓參數(shù)。

　　di/dt檢測：（如圖示7），IGBT模塊內(nèi)部等效圖可以看到，由于IGBT模塊內(nèi)部鏈接的主電極回路與輔助電極回路之間存在寄生電感，在IGBT模塊工作時(shí)，主電流IC從主電極流入，經(jīng)過寄生電感L流出，依據(jù)電感感生電壓V=-L*di/dt，從公式可以看出，感生電壓V值與di/dt值成正比關(guān)系，通過檢測L上產(chǎn)生的感生電壓可以獲得主電流Ic的di/dt值。在IGBT模塊工作的過程中，如果感生電壓高于或低于設(shè)定值都認(rèn)為器件di/dt出現(xiàn)異常狀態(tài)，需要進(jìn)行保護(hù)，并向主控系統(tǒng)報(bào)告出現(xiàn)di/dt故障。

　　數(shù)字控制器功能

　　數(shù)字控制器主要完成根據(jù)輸入信號(hào)控制功率放大電路，驅(qū)動(dòng)IGBT器件。同時(shí)，根據(jù)檢測電路的反饋信號(hào)判定IGBT器件的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)異常狀況，立即按照設(shè)定策略對(duì)IGBT器件進(jìn)行保護(hù)。

　　4 驅(qū)動(dòng)級(jí)測試

　　為初步確定驅(qū)動(dòng)級(jí)基本功能的正確性和可行性，利用圖8樣品板進(jìn)行測試，測試樣品為3300V-1500A IGBT模塊，采用通用型雙脈沖測試方法，測試波形如圖9。

　　從上圖測試結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)板可以在測試條件下安全的開通和關(guān)斷IGBT模塊。

　　5 改進(jìn)方向

　　本論文提出的數(shù)字型IGBT驅(qū)動(dòng)器在過壓保護(hù)檢測上采用的TVS管串聯(lián)的方式，只可以對(duì)IGBT器件關(guān)斷中di/dt產(chǎn)生的寄生過壓有較好的效果，但是這種方法也存在弊端，如果用戶對(duì)于過壓保護(hù)的閾值設(shè)定不合理，及系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)較多的過壓，或較長時(shí)間過壓，此時(shí)IGBT器件會(huì)出現(xiàn)柵極被高壓損壞，或本應(yīng)關(guān)斷的IGBT被動(dòng)強(qiáng)行開通，出現(xiàn)上下管短路的狀態(tài)，損壞上下管IGBT。所以可以加入Vce檢測電路，實(shí)時(shí)檢測集電極電壓，制定保護(hù)策略。