通用型IGBT變頻電源的研制過程

1 　引　言

目前,一些設備仍沿用傳統的400Hz 變頻機組供電,具有笨重、效率低、噪聲大,動態品質差、輸出波形差等缺點。用靜止變頻電源取代它是發展的必然趨勢。早期的晶閘管靜止變頻電源雖然克服了變頻機組的許多缺點,但晶閘管的關斷依賴負載或附加的關斷電路,控制復雜,動態性能不理想,在技術性能上很難有新的突破。本文提出的變頻電源,從根本上克服了上述弊端,是一種性能優良的靜止變頻電源。

2 　主電路和系統控制結構

2. 1 　變頻電源的主電路結構

主電路結構如圖1 所示。J S 為軟啟動控制,避免上電時浪涌電流對整流模塊的沖擊。

采用工業上比較流行的SPWM 控制策略。由于載波頻率的高頻化,SPWM 脈沖波的第一組諧波中心向高頻端遷移,距基波頻率甚遠,如
圖2 所示。這就使得輸出濾波網絡得以小型輕量化,動態品質也得以改善。

輸出濾波網絡采用常K型兩元件低通濾波器[5 ] 。濾波元件L 、C 的參數按下式選取:

L = R/ (πf c) (1)

C = 1/ (πf c R) (2)

式中　f c ———通帶的高截止頻率
　　　R ———濾波器的特性阻抗

2. 2 　系統的控制結構

系統控制結構如圖3 所示。電流環作為輸出電壓控制環的輔助環,能成功地限制逆變器的輸出電流,以防止逆變器過載,提高系統穩定性。

圖中　Uge ———電壓給定
　　　Upc ———偏磁校正
　　　Igd ———電流給定
　　　Uxl ———限流給定

3 　擎住效應及防護技術[1 ,2 ]

3. 1 　擎住效應

IGBT 由四層PNPN 組成,內部形成一個寄生晶閘管,有可能由于再生作用而發生擎住。IGBT的擎住效應有兩種模型:穩定導通時的靜
態擎住及關斷時產生的動態擎住。

3. 2 　靜態擎住效應

IGBT的等效電路如圖4a 所示。α1 、α2 分別是VT1 和VT2 的電流放大系數且為電壓電流的函數。如果α1 增大,通過P 基區的空穴電流Ih 也增大,當Up = Ih Rp > 0. 7V 時,NPN 管開通,VT1 、VT2 發生正反饋。已知當α1 + α2 = 1時,IGBT被擎住,柵極失去控制作用。IGBT 將發生破壞性損壞。

3. 3 　動態擎住效應

考慮結電容的等效電路如圖4b 所示, IGBT在關斷時J2 結因反偏幾乎承受著全部高壓。結電容Cj2影響最大,僅考慮Cj2的影響。重加
d v/ d t 使Cj2產生位移電流iDis :
iDis∝d v/ d t (3)

此時應為動態α,若不考慮α隨電壓的變化,僅考慮電流對其影響,則動態αs 定義為:

由上式可看出,擎住發生時αs1 + αs2 = 1。此時與靜態的α1 、α2 無關。管電流隨iDis位移電流迅猛增加,關斷時重加d v/ d t 最為有害。