IGBT構成的交流傳動逆變器的設計

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　　0 引言

　　電能分為交流電能與直流電能，由交流電能變為直流電能的過程稱為整流，由直流電能變為交流電能的過程稱為逆變。逆變器就是一種完成直流電能向交流電能變換的裝置。

　　交流電機一般采用交-直-交逆變電源的供電方式，即現在電網提供的交流電通過整流、濾波變成直流電，再通過逆變器將直流電變成所需要的交流電源，給電機供電。因此逆變器是其中較關鍵的技術裝置之一。隨著半導體器件的發展，IGBT越來越多的被應用到交流傳動技術中。本文主要分析IGBT構成的交流傳動用逆變器的主電路結構，包括主電路形式、驅動電路與緩沖吸收保護電路的實現。

　　1 主電路結構原理圖

　　圖1為典型的逆變器結構原理圖。它由三部分組成：逆變電路、驅動保護電路、控制與信號采集電路。

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　　逆變電路主要負責電能轉化，即將輸入的直流電能轉化為電機負載可用的三相交流電能，為電機提供能源。圖2所示為逆變電路原理圖，這個逆變電路由6個絕緣柵雙極晶體管T1～T6及續流二極管D1～D6組成。通過控制IGBT管T1～T6的通關斷將輸入的直流電源逆變成頻率可調的矩形波交流電輸出到三相電機。其續流二極管D1～D6的作用是當T1～T6由導通變為截止時，為儲存在電動機線圈中的電能提供釋放通道;當電動機制動時，為再生電流提供回流到直流電源的通道。

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　　2 保護吸收電路結構

　　由于電路中分布電感的存在，加之IGBT開關速度較高，當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆相恢復時，會產生很大的浪涌電壓Ldi/dt，從而威脅IGBT的安全。因此必須采取措施抑制浪涌電壓，保護IGBT不被損壞?？梢圆捎眉友b保護吸收電路的辦法來抑制浪涌電壓。其原理圖如圖3所示，該保護吸收電路有良好的抑制效果，具有保護吸收中發生損耗小的優點。

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　　2.1 保護電路原理分析

　　以開關管T1關斷時刻為起點來分析吸收電路的工作原理，其工作過程可分為：線性化換流、母線寄生電感Lp諧振能量和吸收電容Cs放點共3個階段。

　　線性化換流階段從開關管T1接收關斷信號開始到開關管T1全截止結束。流過母線寄生電感Lp的母線電流經T1和吸收電路2條支路分流。

　　在線性化換流階段結束后，開關管T1完全截止。此時，主回路寄生電感Lp與吸收電容Cs產生諧振，Lp中儲存的能量向Cs轉移。當吸收電容上電壓達到最大值，即諧振峰值時，諧振電流i為零，吸收電路二極管D2截止，箝位電壓防止有振蕩。

　　在第二階段結束之后，吸收電容Cs上過沖能量通過吸收電阻R、電源和負載放電。在放電過程中，近似認為負載是恒流源。

　　2.2 元件參數選取

　　a.緩沖電容Cs選取

　　緩沖電路中緩沖電容Cs的電容取值為：

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　　其中，L是主電路的寄生電感，Io為IGBT關斷時的集電極電流，VCEP是緩沖電容器電壓最終到達值，Ed為直流電源電壓。

　　b.緩沖電阻Rs的取值

　　緩沖電阻的作用是在IGBI下一次關斷前，將緩沖電容器電荷釋放。因此在IGBT進行下一次動作之前，在儲存電荷的90%放電條件下，緩沖電阻取值公式應滿足下列公式：

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　　其中，f為交換頻率。