变频器的模块逆变电路原理及应用

在变频器中，由IGBT以及相应的驱动控制、保护电路构成完整的逆变电路，实现将直流电逆变为交流电的功能。逆变电路可以由分立元器件或具有各种功能的模块电路构成。随着技术的发展和进步，分立元器件构成的逆变电路已经退出历史舞台。

1.IGBT模块

在变频器的应用电路中，通常在IGBT的旁边反向并联一个二极管，而且经常做成模块形式，图1-10所示就是各种结构的IGBT模块。

图1-10 几种结构的IGBT模块

a）单管模块 b）双管模块 c）六管模块

2.EXB系列IGBT驱动模块及其应用

富士EXB系列IGBT驱动模块是目前国内市场应用较多的驱动模块，该系列中的一款驱动模块与IGBT管的连接电路如图1-11所示，图中方框内的电路就是EXB驱动模块，方框边线上的数字是模块的引脚编号。模块的2脚和9脚是20V的工作电源，2脚为正；3脚是模块的驱动输出端，在模块内连接由晶体管V1、V2组成的推挽电路的中点，对外经栅极电阻R_G连接IGBT的栅极；在2脚和9脚之间，电阻R1和稳压管VS稳压一个5V电压，经模块1脚与IGBT的发射极连接；模块的6脚与IGBT的集电极连接，用于进行过电流保护。

CPU的控制信号从15脚和14脚输入。当15脚和14脚之间有输入信号时，该输入信号经隔离、放大器A放大，在a点形成高电位，使V1导通，V2截止，此时2脚的20V电压经V1、3脚、R_G连接到IGBT的栅极G，使栅极G的电位为20V，而发射极E与1脚的5V连接，所以IGBT的栅极与发射极之间电压U_GE=+20V-5V=+15V，IGBT饱和导通。

当15脚和14脚之间的输入信号为0时，a点为低电位，此时V1截止，V2导通，模块的3脚经V2与9脚的0V连接，这时的情况相当于IGBT的栅极为0V，发射极为5V，因此U_GE=-5V。IGBT截止。

以上过程实现了驱动模块对IGBT的驱动控制。

3.IGBT的栅极电阻R_G

在图1-11中，IGBT的栅极接有一个电阻R_G，这个电阻的选择非常重要，这是因为IGBT的栅极G和发射极E之间存在着寄生的结电容C_GE，这个电容的充放电将影响到IGBT的工作。R_G阻值大，将延长IGBT的开通和关断时间；R_G阻值太小，IGBT关断太快，将使IGBT的C、E极电压迅速从饱和导通状态时的低于3V上升到为500V以上，这将通过集电极和栅极之间的结电容电压U_CG产生反馈电流i_CG，对IGBT的关断起到阻碍作用，甚至发生误导通。因此，栅极电阻R_G的连接必须的，不可缺少的。

栅极电阻的大小应严格按照IGBT的说明书选取。

图1-11 富士EXB系列驱动模块与IGBT的连接电路

4.驱动模块输出信号的放大

IGBT是电压控制型器件，其栅极与发射极之间的输入阻抗很大，吸收信号源的电流和消耗的驱动功率也很小，但由于栅极G与发射极E之间存在着结电容C_GE，在驱动信号作用下，也会吸收电流。容量越大的IGBT，C_GE也越大，吸收的电流也越大，而驱动模块输出电流有时不足20mA，甚至只有几毫安，所以对于在大容量变频器中使用的IGBT，驱动模块输出的驱动信号需要进行放大，如图1-12所示。

图1-12 驱动模块输出驱动信号的放大电路

在图1-12中，驱动模块输出端3脚与IGBT栅极之间接入了由V3和V4组成的推挽放大电路，将驱动信号进行再次放大，从而满足大容量IGBT的驱动需求。(www.xing528.com)

5.智能电力模块IPM

智能电力模块IPM是电力集成电路的一种，有时也称作智能电力集成电路SPIC。

电力电子器件和配套的控制电路，过去都是分立元器件的电路装置，而今随着半导体技术及其相应工艺技术的成熟，已经可以将电力电子器件及其配套的控制电路集成在一个芯片上，形成所谓的电力集成电路。这种电路能集成电力电子器件、有源或无源器件、完整的控制电路、检测与保护电路，由于它结构紧凑、集成化程度高，从而避免了分布参数、保护延迟等一系列技术问题。

图1-13 富士智能电力模块IPM型号含义

图1-14 富士7MBP100RA060智能电力模块内部结构图

下面介绍变频器中较常用的以IGBT为主开关器件的IPM。目前几十千瓦以下的变频器已经开始采用这种集成度高、功能强大的器件IPM。富士公司R系列IPM的型号含义如图1-13所示。

图1-14所示为富士7MBP100RA060智能电力模块的内部结构图。模块内部包含7个IGBT和7个功率二极管。其中IGBT1～IGBT6构成三相逆变桥，VDF1～VDF6是与6个IGBT反向并联的回馈二极管。动力制动由IGBT7作为开关管，VDW是它的续流二极管。模块的16脚ALM端是报警信号输出端，可对模块的短路、控制电源欠电压、IGBT及VDF过电流、VDW过电流、IGBT芯片过热、外壳过热等各种运行异常实施保护，当ALM端有报警信号输出时，IGBT的电流通路被封锁，IPM受到保护。

由于IPM内部的驱动电路是专门针对内部的IGBT设计的，因此具有最佳的驱动条件。IPM还内含制动电路，即由IGBT7等电路组成，只要在外电路端子P与B之间接入制动电阻，就能实现制动。

7MBP100RA060智能电力模块的接线端子使用的符号及其含义如表1-2所示。

表1-27 MBP100RA060智能电力模块的接线端子符号及其含义

（续）

图1-15 IPM模块在变频器中的应用电路

使用IPM模块构成的变频器应用系统如图1-15所示。图中方框内是IPM模块，模块内的电路见图1-14。模块IPM右侧画出的是连接电动机、制动电阻的电路，以及整流滤波电路。制动电阻连接在端子P与B之间。模块左侧连接的是控制信号电路和报警输出电路。

图1-15中的应用系统使用4组相互绝缘的控制电源，即U_CC1、U_CC2、U_CC3和U_CC4。其中逆变桥的上桥臂使用3组，下桥臂和制动单元共用1组。这4组控制电源还必须与主电源之间具有良好地绝缘。

下桥臂控制电源的GND和主电源的GND已经在IPM内连接好，在IPM外部绝对不允许再连接，否则将会产生环流，引起IPM的误动作，甚至可能破坏IPM的输入电路。