通用型IGBT变频电源的研制过程

3. 4 　擎住效应的防护

由上述可知,IGBT 的擎住效应是由器件的特殊结构决定的。应为IGBT 设计良好的周边电路,抑制擎住的发生,主要从以下几方面考虑。

(1) 避免IGBT超过热极限

IGBT的擎住电流与温度有关,参见图5。散热器的温度以不超过70 ℃为宜。因温度升高后,NPN 管开通的偏置电压不再是0. 7V ,而是随温度的升高而下降;p + 区的横向电阻RP 随温度升高而增大,二者的影响均促使擎住电流下降。

(2) 选择合理的驱动条件

IGBT的动静态特性与门极驱动条件密切相关。正反向驱动电压±Uge 、门极电阻Rg 对IGBT的饱和压降、开关损耗、短路耐量等都有不同程度影响。经验表明,正向驱动以13V ≤Ug ≤15V ,反向驱动以- 7V ≤- Uge ≤- 5V 为宜。在开关损耗允许的情况下, Rge 应适当选大。
(3) 利用缓冲电路限制过压

IGBT感性关断时产生的浪涌电压一方面可能使IGBT的关断轨迹位于安全工作区之外,另一方面使管耗增加,温度升高对抑制擎住不
利。必须使用缓冲电路消除这种开关浪涌。缓冲电路采用阻止放电型结构,如图6 所示。各参数按下列关系选取:

式中　Ls ———引线电感,以1μH/ m计

Io ———IGBT最大脉冲电流值

K ———额定减小系数,非重复时K= 1 ,重复时K = 0. 8

Ucep ———集射间的峰值电压,Ucep = Ud + UFM +Lsd i/ d

Ud ———直流高压

UFM ———二极管暂态正向压降,1200V 级取40～60V

实测电压尖峰ΔU = Ucep - Ud 100V ,缓冲效果比较明显。

(4) 过流或短路故障时应使IGBT 缓关断

故障情况下, 由于关断时随着MOSFET 沟道的减小, 电流会流过Rp ,使Up 升高, IGBT 可能会进入擎住。而简单快速地关断IGBT ,会产生
较大的d i/ d t 和d v/ d t ,也可能促使IGBT 进入擎住。应该在IGBT耐量允许的前提下,设法缓

(5) 合理选择器件等级和开关频率

IGBT功率模块电流等级参考下式选取:

ic = NPo/ (ηDmaxUdmin) (14)

式中　Po ———额定输出功率
　　　N ———功率裕量系数
　　　η ———效率
　　Dmax ———最大占空比
　　Udmin ———最低直流高压

高速型IGBT的优选频率范围是10～15kHz(硬开关) 。开关频率太高,管耗大,温升高,可靠性下降。以单相4kW的静止变频电源为例,
选用富士2MBI50L - 120 功率模块。频率调制比mf = 33 ,载波频率f = 400 ×33 = 13. 2kHz。经主电路倍频以后,逆变桥输出的SPWM 脉冲波的频率为26. 4kHz ,其频谱见图2。

4 　控制、驱动及保护电路

由EPROM和D/ A 构成调制波产生电路是目前较好的办法。将参考正弦按规则采样法离线算好后存于EPROM 中,若为三相电源,参
考正弦三相互差120°,使用一片最小容量的普通型EPROM即可。基本电路如图7 所示。

　　　　　

因为三角波载波的斜边是与参考正弦在台阶处相交,比较器不存在抖动问题,不需附加任何措施,稳定可靠。

5 　主要技术指标

单相4kW变频电源:

输入　　　　50Hz ,380V , ±10 %

输出　　　　单相115V/ 230V , ±10 %可调

电压调整率　 1 %

输出波形　　正弦波,THD 3 % ,单次谐波 2 %

频率　　　　400Hz , ±30Hz 可调

过载能力　　120 % ,10 分钟

效率　　　　> 80 %

6 　结　论

单相4kW 变频电源在两种雷达上试用成功。在此基础上,已派生出各种规格的电源。实现了实用化和系列化。已广泛用于部队、院
校、民航、科研单位等,用户反映良好。