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RG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、RG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UGE=+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UGE=-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RG
在图1-11中,IGBT的栅极接有一个电阻RG,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CGE,这个电容的充放电将影响到IGBT的工作。RG阻值大,将延长IGBT的开通和关断时间;RG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UCG产生反馈电流iCG,对IGBT的关断起到阻碍作用,甚至发生误导通。因此,栅极电阻RG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CGE,在驱动信号作用下,也会吸收电流。容量越大的IGBT,CGE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UCC1、UCC2、UCC3和UCC4。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。
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