IGBT超音频逆变器技术简介

现以电压串联型谐振逆变电路为例介绍其工作原理。其电路如图2-32所示该电路为单相逆变桥和L、R、C负载谐振回路组成的串联式逆变电路。

图2-32 电压型串联谐振式逆变电路

1.电路工作原理

三相交流电经三相整流桥整流，再经滤波电容C_d滤波供电给逆变电路。以IGBT为功率开关器件的VT₁～VT₄组成逆变器的桥臂。VD₁～VD₄分别为四只IGBT器件内部的反并联快恢复二极管，它们为逆变桥提供换流通路。u_g1～u_g4分别是VT₁～VT₄开关器件的触发脉冲。为了避免逆变器上、下桥臂直通，换流过程必须遵循先关断、后开通的原则。因此，在上、下桥臂IGBT触发脉冲的上升沿之间必须留有足够的时间死区t_s，电量波形如图2-33所示。图中，u₁是u_AB的基波电压i₁是串联电路电流i的基波电流。由于L和C要进行能量交换，即电流是连续的，因此当VD₁和VD₃由导通变为截止，或者VD₂和VD₄由导通变为截止时与IGBT反并联的快恢复二极管在时间t_s将承担续流的任务。具体的换流情况见图中波形和导通器件的顺序。图2-33是IGBT逆变桥工作在cosφ＝1的理想状态，即串联谐振状态（f＝f₀）下的波形。由于换流是在电流为零的附近完成因而开关损耗小，当工作频率f偏离谐振频率f₀时，开关损耗将增大。为了估算逆变器的振荡功率及转换效率，忽略换相过程，则u_AB近似为矩形波，将其展开成傅里叶级数为

图2-33 触发脉冲与电量波形

基波电压有效值为

设基波电流i1的有效值为I1，则输出功率P0为

P₀＝U₁I₁≈0.9U₀I₀（2-12）举例：设U₀＝500V，I₀＝230A，f＝25kHz，则P₀＝0.9×500×230kW＝103.5kW，转换效率η＝103.5×1000／500×230＝0.9。

为了调节输出功率，可调节直流电压U0，此时图2-32中的三相整流电路要改为三相可控整流电路。

2.驱动电路

（1）模块化驱动器 IGBT和其他功率半导体器件一样，驱动电路是决定其工作可靠性、稳定性和器件寿命的关键因素之一。为此，对驱动电路有如下要求：①驱动电路必须能向栅极提供幅值足够高的正向电压UGE，一般为12～15V；②应能提供负向栅极电压。负栅压有利于快速消灭存储电荷，从而有利于缩短关断时间，一般取－5～－10V；③应能输出前后沿陡峭的脉冲，内阻要小，能输出较大的峰值电流以使输入电容能快速充放电缩短开关时间，减小开关损耗；④抗干扰能力要强，对被驱动的IGBT具有保护功能。

满足上述要求的模块化电路有多种系列产品。

1）日本富士公司的EXB系列产品综合性能参数见表2-8。

表2-8 日本富士公司的EXB系列产品综合性能参数

图2-34a示出了EXB841驱动模块电路与IGBT相连接的电路，电路的工作原理分析如下：①当驱动信号脉冲到达VT1－1管基极时，EXB841的第15脚→14脚有10mA电流流过，经内部电路提升电压幅度后，在第3脚与1脚之间输出驱动脉冲u_g1，其波形如图2-34b所示，正向幅度为15V。当驱动信号脉冲为零时在IGBT的G极与E极之间为－5V电压，这样有利于缩短关断时间。②IGBT的短路或过电流保护。IGBT正常饱和导通情况下，V_CE≈3V，此时高反压快恢复二极管VD_H导通，EXB841的第5脚为高电位，光电耦合管VO₁无过电流保护信号输出，EXB841继续正常工作。当IGBT过电流或短路而退出饱和工作区时VC_E将升高至4～5V之间，此时VD_H截止，从而导致第5脚电位为0，于是VO₁管有过流保护信号输出，此信号将使驱动电路在很短时间内停止输出驱动脉冲u_g1，保护了IGBT不致过电流或短路而损坏。③R_G的数值可按照表2-8中的推荐值进行选用。EXB841的输出端至IGBT栅极的引线要使用绞线。④对于逆变桥臂的其他IGBT（VT₂、VT₃、VT₄）的驱动电路的工作原理是一样的。但要注意u_g1～u_g4的波形要按图2-33中的关系提供给相应IGBT的输入端；四个EXB841的直流电源（UG₁～UG₄）是相互绝缘的独立电源。

图2-34 驱动电路及脉冲波形

a）电路图 b）驱动脉冲

2）北京落木源电子技术有限公司的TX-KA、TX-KB系列驱动器。

3）上海巴玛克（Bamac）电气公司的AST96X系列模块，适用于IGBT的单路驱动，其系列产品见表2-9。该系列的电路结构框图如图2-35所示。其主要特点：高集成度，模块尺寸小，内置驱动欠电压保护电路，驱动过电压保护电路（部分型号），短路保护电路，短路保护时软关断IGBT，VCE检测的快恢复二极管，耐压达2000V，光耦合器以传输驱动保护／故障信号，栅极电压箝位器件。(www.xing528.com)

表2-9 AST96X系列驱动器

图2-35 AST96X系列的电路结构框图

（2）IGBT驱动板系列 上海巴玛克（Bamac）电气公司的IGBT驱动板系列：MAST5-1C-U2型～MAST5-7C-U17型，它们均采用模块化AST965电路驱动IGBT，在板上集成了1～7个AST965，分别可驱动1～7个IGBT；1C～7C代表1～7个IGBT，该板为C系列。每路驱动器所具有的性能取决于采用的是AST965-U12还是AST965-U17。

F系列高频高速驱动板是在MAST5的C系列驱动板基础上，经电路和结构的改进而成。其驱动电源功率增加，散热能力增强，脉冲传输延时时间更短。F系列高频高速驱动板适用于高频IGBT及大功率MOSFET应用，该系列驱动板具有C系列驱动板的所有性能特点。

如果不采用售品驱动模块，或在不能满足设计要求的情况下，也可根据自己的技术要求设计驱动电路，不少感应加热电源生产厂家就是这样做的。

3.IGBT的保护

（1）IGBT的缓冲电路（吸收电路） IGBT感应加热电源的保护措施除去过电压、过电流、超温、水压过低等各种保护措施，以及IGBT器件过电流保护措施外，还必须引入IGBT缓冲电路。功率开关器件的损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量d_u／d_t、d_i／d_t，或瞬时过量功耗的损害而造成的。缓冲电路的作用就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。典型的缓冲电路如图2-36a所示。当IGBT关断时，电流经缓冲二极管VD向缓冲电容C_s充电，同时集电极电流i_C逐渐减少。由于C_s两端电压不能突变，所以有效地限制了IGBT集电极电压的上升速率d_u／d_t也避免了集电极电压u_CE和集电极电流i_C同时达到最大值。当IGBT开通时，已充电的C_s通过外接电阻R_s和器件电阻等以热的形式消耗掉。这样便将IGBT运行时产生的开关损耗转移到了缓冲电路中，最后在电阻上以热的形式消耗掉，从而保护了IGBT。缓冲电容Cs的容量不同其效果也不相同。图2-36b中的上面图的C_s较小，时间常数较小，i_C下降至零之前u_CE也上升至电源电压V_CC，瞬时功耗较大；图2-36b中下面图的C_s较大，i_C下降至零之后，u_CE才上升至V_CC，瞬时功耗较小。

图2-36 典型的缓冲电路

a）缓冲电路 b）关断波形

通用的三种IGBT缓冲电路如图2-37所示。缓冲电路设计时的推荐值见表2-10。其中，类型（A）为单只低电感吸收电容构成的缓冲电路，适用于小功率IGBT模块；类型（B）适用于较大功率IGBT功率模块；类型（C）适用于大功率IGBT模块。还有一种估算缓冲电容C_s的电容值的办法，通常是以每100A集电极电流约取1μF的缓冲电容值

图2-37 通用的三种IGBT缓冲电路

注：A、B、C为表2-10中的缓冲电路类型

表2-10 缓冲电路设计时的推荐值

（续）

注：缓冲电路类型中的A、B、C如图2-37所示。

（2）IGBT的过电压吸收 对于100kW以上的固态感应加热电源，为了更有效地防止IGBT的C-E极间的过电压击穿而损坏，除了安装缓冲电路以外，还在逆变电路的每个桥臂的IGBT的C-E极间安装氧化锌压敏电阻器（ZnO）。氧化锌压敏电阻器是一种半导体陶瓷压敏电阻器，它具有优异的稳压和电涌吸收能力。

（3）能量反馈回路 对于大功率固态电源，当LC谐振回路的功率因素cosφ较小时，需要提供一条无功能量反馈回电网的通路。这就要求在三相可控整流电路中加入由大功率二极管组成的反接三相桥路。