应用实例：高功率器件在逆变电路中的优势

1.高功率器件在全桥逆变电路中应用实例

（1）逆变电路

全桥逆变电路的基本结构如图6-21所示，该电路采用IGBT作为功率开关管。由于IGBT寄生电容和线路寄生电感的存在，同一桥臂的开关管在开关工作时相互会产生干扰，这种干扰主要体现在开关管栅极上。以上管开通对下管栅极产生的干扰为例，实际驱动电路及其等效电路如图6-22所示。

图6-21 全桥逆变电路的基本结构图

图6-22 驱动电路及其等效电路

在实际电路中，点划线框部分是IR2100的输出推挽电路，R_S、R_P分别是与VT2栅极串、并联电阻，VS是栅极限幅稳压管。当上管VT1开通时，下管VT2栅极信号必然为低电平，即MOSFET2导通，MOSFET2两端可等效为一个电阻R_M，这个电阻与R_S、R_P一起等效为电阻R_G。

R_G=（R_M+R_S）//R_P≈R_S（R_M≤R_S≤R_P） （6-29）

VS两端相当于开路。电容C_ge和C_gc都是VT2的寄生电容。电感L是功率电路线路的等效寄生电感，L_g是驱动电路的线路电感。

在VT1开通前，由于互补栅极信号死区的存在，VT1、VT2均处于关断状态，桥臂中点电压是高压母线电压V_BUS的一半。当VT1开通时，中点电压立刻上升，很高的dv/dt使L和VT2的寄生电容发生振荡，由于L_g和R_G存在且C_GE的阻抗也并不足够低，在VT2栅极会产生一个电压尖刺。这个电压尖刺幅值随母线电压V_BUS和负载电流的增大而增大，可能达到足以导致VT2瞬间误导通的幅值，这时桥臂就会形成直通。同样地，当VT2开通时，VT1的栅极也会有电压尖刺产生。通过减小R_G和改善电路布线可以使这个电压尖刺有所降低，但均不能达到可靠防止桥臂直通的要求。

（2）栅极关断钳位电路

针对前面的分析，提出一种栅极关断钳位电路，通过在开关管驱动电路中附加栅极关断钳位电路，可以有效地降低上述栅极尖刺。带有栅极关断钳位电路的驱动电路如图6-23所示。

图6-23 带有栅极关断钳位电路的驱动电路

栅极关断钳位电路由VF1（VF3）和VF2（VF4）的栅极下拉电阻R_C1（R_C3）和R_C2（R_C4）组成。实际上该电路是由MOSFET构成的两级反相器。当VF1（VF3）栅极为高电平时，VF1（VF3）导通，VF2（VF4）因栅极为低电平而关断，不影响功率开关管的正常导通；当VF1（VF3）栅极为低电平时，VF1（VF3）关断，VF2（VF4）因栅极为高电平而饱和导通，从而在功率开关管的栅极形成了一个极低阻抗的通路，将功率开关管的栅极电压钳位在0V，基本上消除了电压尖刺。

在电路设计时，要注意使VF2（VF4）的D、S极与功率开关管G、E极间的连线尽量短，以最大限度地降低功率开关管栅极寄生电感和电阻。在电路板的排布上，VF2（VF4）要尽量靠近功率开关管，而VF1（VF3）、R_C1（R_C3）和R_C2（R_C4）却不必太靠近VF2（VF4），这样既可以发挥该电路的作用，也不至于给电路板的排布带来很大困难。

用双极型晶体管（如8050）同样可以实现上述电路的功能。双极型晶体管是电流型驱动，其基极必须要串联电阻。为了加速其关断，同时防止其本身受到干扰，基极同样需要并联下拉电阻，这样就使电路更加复杂。同时，要维持双极型晶体管饱和导通，其基极就必须从电源抽取电流，在通常的应用中这并无太大影响，但在自举驱动应用中，这些抽流会大大加重自举电容的负担，容易使自举电容上的电压过低而影响电路的正常工作。因此采用MOSFET来构成上述栅极关断钳位电路是一种较佳的选择。

2.高功率器件在正弦波中频逆变电源中应用实例

（1）正弦波中频逆变电源主电路

正弦波中频逆变电源的主电路如图6-24中的上半部分所示，在图6-24中，S1为空气开关。L为EMI滤波器，用以滤掉电网中的干扰和消除逆变电源对电网的干扰。KM1、KM2、KM3为接触器，S2的作用是在系统启动时接通电源，在故障时切断主电源，其辅助触点KM1用来在停机或保护电路动作时使滤波电容C₁及C₂上储存的能量通过电阻R₂快速放掉，以避免掉电时电容C₁及C₂中聚积的能量还未放完，使逆变桥中同桥臂上下主功率IGBT因驱动脉冲电平不确定发生同时导通而损坏。接触器KM2和电阻R₁构成软启动电路，其作用是在系统启动时，通过电阻R₁缓慢地对电容C₁及C₂充电，防止直接启动时由于电容器C₁及C₂上初始电压为零，导致整流桥模块承受过大的电流冲击而损坏，当电容C₁及C₂上的电压达到设定值时，接触器KM2动作，其触点将电阻R₁短接。KM3用于将电源输出与负载隔开，系统启动成功后KM3闭合再将负载接通，以保证电源系统顺利启动及保护用电设备。滤波电容C₁及C₂用来对整流后的电压进行滤波，以保证提供给逆变桥的电压为平滑的直流电压。R₃及R₄分别并于C₁及C₂两端，以保证C₁及C₂各承受主电路中直流电压的一半。S为霍尔电流传感器，对逆变电源的直通及短路保护提供一取样信号。V1～V4为4只IGBT构成桥式逆变电路。C₃及C₄用来抑制和吸收IGBT通断过程中因电路中电感的存在而引起的尖峰脉冲电压L×di/dt，以保证IGBT不因承受过高的尖峰脉冲电压而击穿损坏。L₁、L2、C5构成输出滤波器，把逆变桥输出的按正弦波规律变化的脉宽高频脉冲波还原成中频正弦波输出，并经变压器T隔离后为负载提供合适幅值的电压。

逆变电源主电路的工作原理是：三相（或单相）交流市电经EMI滤波器滤波后，由整流桥模块整流，再经电容滤波，加至由IGBT构成的桥式逆变电路，该直流高压经逆变电路逆变为脉宽按正弦波规律变化的高频脉冲波，再由输出滤波器滤掉高频谐波，得到中频正弦波，最后由变压器隔离、变压（升压或降压）后提供给负载。SPWM脉冲波由控制电路产生，并根据输出反馈电压和反馈电流来改变脉冲波的宽度，从而保证输出电压的稳定。

图6-24 中频电源电路图(www.xing528.com)

（2）控制电路

图6-25 控制部分的原理框图

控制电路部分的原理框图如图6-25所示，它采用INTEL公司的16位单片机87C196MC作为控制核心。该单片机主要用于控制和数据处理，并具有脉宽调制信号输出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。单片机产生载频为20kHz的SPWM脉冲信号，由脉宽调制信号输出端口输出，通过驱动电路加到IGBT的栅极，控制逆变电路正确工作，同时，根据电压和电流的反馈值调整SPWM脉冲信号的脉宽以保持输出信号幅度的稳定。为了保证系统安全可靠地运行，充分发挥单片机的强大控制功能，由控制电路对系统的关键功率器件的运行参数进行实时监控，例如功率器件的过电压、欠电压、过电流、过载、输出短路、过热等，实现对系统工作状态的自诊断并对故障进行相应的声光报警。采用16位单片机作为系统的控制核心，可实现控制快速准确，使系统具有响应快，运行稳定可靠。

（3）功率器件与驱动电路

德国西门康（SEMIKRON）公司生产的SKM系列IGBT功率模块，在芯片制造工艺、内部布局、基板选择等方面有独到之处，不必使用RCD吸收电路，SOA（安全工作区）曲线为矩形，不必负压关断，并联时能自动均流，短路时电流自动抑制，开关损耗不随温度成正比增加。为此，选用西门康公司的SKM系列IGBT作为逆变电源的主功率开关功率器件。

IGBT的栅极驱动电压可由不同的驱动电路提供，选择驱动电路时，应考虑驱动电路的电源要求，功率器件关断偏置的要求，栅极电荷的要求，耐固性要求，保护功能等因素。驱动电路的性能不仅直接关系到IGBT功率器件本身的工作性能和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。

为充分利用SKM系列IGBT的优良性能，保证系统能安全可靠地工作，驱动电路选用西门康公司的SKHI系列驱动器。该系列驱动器只需一个非隔离的+15V电源；具有高dv/dt容量，保护功能完善并具有故障记忆功能，通过ERROR信号告知控制系统，驱动信号可实现上下互锁，避免同一桥臂两只IGBT同时开通。采用外部可调栅极电阻，使得使用不同功率容量的IGBT时都能工作于较高的开关频率，并得到高的转换效率。

作为电压型控制的IGBT不需要栅极驱动电流，但由于栅极输入端有一个大电容，使在驱动时形成一很窄的脉冲栅极驱动电流，且IGBT容量越大，该脉冲电流的峰值越大，例如，200A/1200V的IGBT的开通电流的脉冲峰值约达到1.5A。由于SKHI驱动器电路的特殊设计可承受这种高峰值栅极电流，并不降低V_GE，可实现IGBT的高开通和关断速度，并减少驱动器损耗，SKHI驱动器的输出级采用MOSFET对管，可减少连接线路上的电阻。影响IGBT开关速度的另一个重要因素是栅极电阻R_G，减小R_G可以降低IGBT的开关损耗，但由于杂散电感的存在，使得IGBT关断时的集电极-发射极间的尖峰电压增大，SKHI驱动器将R_G分成R_GON和R_GOFF，如图6-26所示，这样两个参数可分别控制，并可根据IGBT容量的不同，分别调整R_GON和R_GOFF，可获得最佳的驱动效果。

图6-26 SKHI驱动器的输出级

过流保护是驱动电路具有的重要功能，SKHI采用监测IGBT集射极电压V_CE来测控过流，检测电路原理图如图6-27所示。V_CE测控电路同时监视栅极输入信号和集射极电压，当输入信号为高电位，并且在3～5μs后，V_CE较正常饱和值（3.5～5.5V）高，则认为过电流，关断脉冲信号，给出故障报警信号。

图6-27 SKHI检测原理图

逆变器的辅助控制电路的作用是根据主控电路发出的控制信号，依次控制接触器的吸合及分断，保证主电路依正确的顺序加电，在保护电路工作时切断主电路的供电电源，辅助控制电路还为冷却系统提供电源。

逆变器的显示及按键控制电路的功能是在主控电路的控制下，显示系统的工作状态，如电压、电流、频率等，并可通过按键改变输出电压的幅度（改变范围为额定输出电压的±10%）和输出电压的频率（400Hz±30Hz）。当系统出现故障时对故障进行显示和报警，报警信号包括过流、过载、短路、过热、输入过电压/欠电压、驱动报警等。

大功率IGBT逆变器的保护电路设计对其可靠工作具有非常重要的作用，IGBT模块的吸收电容须选用低感电容，如聚丙烯电容或类似的低介电损耗膜的电容，安装时应尽可能地靠近模块。

（4）系统设计

在系统设计中对关键功率器件应采取降额设计，软启动设计、自动保护设计等措施，保证电路在环境应力较大的情况下能可靠工作。并采用可靠性热设计、三防处理、结构件加固处理等办法，保证产品在恶劣的气候应力和机械应力条件下的可靠性。对于航空和舰载产品，应采用复合型减震器和导向件结构，保证产品的抗冲击、抗振动性能。强化产品的绝缘设计，确保产品的安全性。

正弦波逆变电源输出正弦波的失真度与输出滤波器的参数有密切关系，设计中应合理地选取滤波器的截止频率，并兼顾逆变电源最高输出频率的需要，滤波电感及电容应满足下式

式中，f_C为滤波器的截止频率，取值为最高输出频率的5～10倍。