簡述逆變電路及其控制及門極關(guān)斷箝位電路設(shè)計(jì)

 UPS即不間斷電源,是一種含有儲(chǔ)能裝置,以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí),UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用,此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器,同時(shí)它還向機(jī)內(nèi)電池充電;當(dāng)市電中斷(事故停電)時(shí),UPS立即將機(jī)內(nèi)電池的電能,通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電,使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

 

    1逆變電路及其控制

 

    PWM技術(shù)原理由于全控型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn),不僅使得逆變電路的結(jié)構(gòu)大為簡化,而且在控制策略上與晶閘管類的半控型器件相比,也有著根本的不同,由原來的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù),簡稱PwM技術(shù)。PwM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制,在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PwM方式構(gòu)成的逆變器,其輸人為固定不變的直流電壓,可以通過PwM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器只有一個(gè)可控的功率級(jí),簡化了主回路和控制回路的結(jié)構(gòu),因而體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。又因?yàn)榧驂、調(diào)頻于一身,所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。此外,采用PwM技術(shù)不僅能提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形,而且提高了逆變器對(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。


    正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)在逆變器的控制中得到了廣泛應(yīng)用,正弦脈寬調(diào)制方式很多,在此不一一描述。本電路采用的是倍頻式的調(diào)制方式,下面簡單加以介紹。

 

    全橋逆變電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在倍頻式調(diào)制方式中,四個(gè)開關(guān)管的門極脈沖信號(hào)Vg1~Vg4的產(chǎn)生方法如圖2所示。四個(gè)開關(guān)管門極脈沖信號(hào)Vg1~Vg4與兩橋臂中點(diǎn)A、B間電壓VAB的波形也如圖2所示。
 

    由圖2可以看出,在倍頻式調(diào)制方式中,A、B間電壓頻率是開關(guān)管工作頻率的兩倍,這種調(diào)制方式的好處在于在不增加開關(guān)管工作頻率的情況下,可以減小逆變器輸出濾波器的尺寸。它的缺點(diǎn)在于四個(gè)門極脈沖信號(hào)各不相同,提高了控制電路和脈沖發(fā)生電路的復(fù)雜性。本文提及的逆變電路開關(guān)管門極SPWM信號(hào)是由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)產(chǎn)生的,對(duì)于數(shù)字控制電路而言,倍頻式調(diào)制方式所帶來的電路復(fù)雜性可以忽略。該電路采用IGBT作為功率開關(guān)管。由于IGBT寄生電容和線路寄生電感的存在,同一橋臂的開關(guān)管在開關(guān)工作時(shí)相互會(huì)產(chǎn)生干擾,這種干擾主要體現(xiàn)在開關(guān)管門極上。以上管開通對(duì)下管門極產(chǎn)生的干擾為例,實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路及其等效電路如圖3所示。

    實(shí)際電路中,虛線框部分是IR2110的輸出推挽電路,RS、RP分別是T2門極串、并聯(lián)電阻,Zg是門極限幅穩(wěn)壓管。當(dāng)上管T1開通時(shí),下管T2門極信號(hào)必然為低電平,即M2導(dǎo)通,M2兩端可等效為一個(gè)電阻RM,這個(gè)電阻與RS、RP一起等效為電阻Rg.

 

    Rg=(RM+RS)//RP≈RS(RM < S < P)


    Zg兩端相當(dāng)于開路。電容Cge和Cgc都是T2的寄生電容。電感L是功率電路線路的等效寄生電感,Lg是驅(qū)動(dòng)電路的線路電感。


    在T1開通前,由于互補(bǔ)門極信號(hào)死區(qū)的存在,T1、T2均處于關(guān)斷狀態(tài),橋臂中點(diǎn)電壓是高壓母線電壓VBUS的一半。當(dāng)T1開通時(shí),中點(diǎn)電壓立刻上升,很高的dv/dt使L和T2的寄生電容發(fā)生振蕩,由于Lg和Rg的存在且Cge的阻抗也并不足夠低,在T2門極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖刺。這個(gè)電壓尖刺幅值隨母線電壓VBUS和負(fù)載電流的增大而增大,可能達(dá)到足以導(dǎo)致T2瞬間誤導(dǎo)通的幅值,這時(shí)橋臂就會(huì)形成直通,造成電路燒毀。同樣地,當(dāng)T2開通時(shí),T1的門極也會(huì)有電壓尖刺產(chǎn)生。

    通過減小RS和改善電路布線可以使這個(gè)電壓尖刺有所降低,但均不能達(dá)到可靠防止橋臂直通的要求。
 

 

    2 門極關(guān)斷箝位電路


 

    針對(duì)前面的分析,本文將提出一種門極關(guān)斷箝位電路,通過在開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路中附加這種電路,可以有效地降低上述門極尖刺。帶有門極關(guān)斷箝位電路的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。


    門極關(guān)斷箝位電路由 MOSFET 管MC1和MC2、MC1門極下拉電阻RC1和MC2門極上拉電阻RC2組成。實(shí)際上該電路是由 MOSFET 構(gòu)成的兩級(jí)反相器。當(dāng)MC1門極為高電平時(shí),MC1導(dǎo)通,MC2因門極為低電平而關(guān)斷,不影響功率開關(guān)管的正常導(dǎo)通;當(dāng)MC1門極為低電平時(shí),MC1關(guān)斷,MC2因門極為高電平而飽和導(dǎo)通,從而在功率開關(guān)管的門極形成了一個(gè)極低阻抗的通路,將功率開關(guān)管的門極電壓箝位在0V,基本上消除了上文中提到的電壓尖刺。 在使用這個(gè)電路時(shí),要注意使MC2 D、S與功率開關(guān)管G、E間的連線盡量短,以最大限度地降低功率開關(guān)管門極寄生電感和電阻。在電路板的排布上,MC2要盡量靠近功率開關(guān)管,而MC1、RC1和RC2卻不必太靠近MC2,這樣既可以發(fā)揮該電路的作用,也不至于給電路板的排布帶來很大困難。

    用雙極型晶體管(如8050)同樣可以實(shí)現(xiàn)上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅(qū)動(dòng),其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷,同時(shí)防止其本身受到干擾,基極同樣需要并聯(lián)下拉電阻,這樣就使電路更加復(fù)雜。同時(shí),要維持雙極型晶體管飽和導(dǎo)通,其基極就必須從電源抽取電流,在通常的應(yīng)用場合這并無太大影響,但在自舉驅(qū)動(dòng)并且是SPWM的應(yīng)用場合,這些抽流會(huì)大大加重自舉電容的負(fù)擔(dān),容易使自舉電容上的電壓過低而影響電路的正常工作。因此選用MOSFET來構(gòu)成上述門極關(guān)斷箝位電路。

    圖5是在沒有門極關(guān)斷箝位電路的情況下,直流母線電壓為100V時(shí)T2門極信號(hào)的波形?梢钥吹皆陂T極有一個(gè)電壓尖刺,這個(gè)尖刺與門極脈沖的時(shí)間間隔剛好等于死區(qū)時(shí)間,由此可以證明它是在同一橋臂另一開關(guān)管開通時(shí)產(chǎn)生的。

    圖6是在有門極關(guān)斷箝位電路的情況下,直流母線電壓為400V時(shí)T2門極信號(hào)的波形。此時(shí)電壓尖刺基本消除。

 

    通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該電路確實(shí)可以抑制和消除干擾,有一定的使用價(jià)值,可以提高電路的可靠性。

 


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