IGBT電路的逆變器設計與分析：

　　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。

　　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。

　　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。可以采用加裝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。

　　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：

　　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：

　　其中，f為交換頻率。

　　3 驅動電路結構

　　要保證IGBT工作可靠，其驅動電路起著至關重要的作用。

　　3.1 IGBT驅動電路要求

　　IGBT驅動電路的基本要求主要有以下幾點：

　　（1）驅動電路必須十分可靠，要保證為IGBT的柵極電容提供一個低阻抗的充放電回路;

　　（2）在滿足開關特性和功耗允許的情況下，門極電阻可以適當增大，用于限制瞬時壓降尖峰;

　　（3）驅動電路能夠傳遞kHz級的高頻脈沖信號;

　　（4）IGBT門極與發射極電壓極限壓降為±20V。通常選用正向驅動電壓為+15 V，反向驅動電壓為-8V。

　　3.2 M57959L構成的驅動電路

　　根據上述驅動電路設計原則，按照不同要求可以設計出多種形式的驅動電路。常用的驅動電路有分立元件構成的驅動電路和專用集成驅動電路。相對于分立元件構成的驅動電路，專用集成驅動電路抗干擾能力強、集成化程度高、速度快、保護功能完善，可實現IGBT的最佳驅動。

　　M57959L是日本三菱公司生產的混合集成IGBT驅動器，其內部原理結構如圖4所示。它由高速光電隔離輸入，絕緣強度高，可與TTL電平兼容。內藏定時邏輯短路保護電路，并具有保護延時特性。芯片由正負電源供電，克服了單電源供電時負電壓不穩的缺點，驅動功率大，可驅動200A/600V或100A/1200V的IGBT模塊。由M57959L構成的驅動電路如圖5所示。

　　使用時應注意柵極電阻的取值。柵極電阻Rext的取值能夠影響振蕩的抑制效果、減緩開關開通時的di/dt、改善電流上沖波形、減小浪涌電壓。從安全角度考慮，Rext應取較大值，但是較大的Rext影響開關速度，增加開關損耗;從提高工作頻率出發，應取較小值。在滿足開關頻率的情況下，應取較大的Rext。

　　4 主電路安裝與布局

　　由于IGBT開關頻率非常快，同時功率也很高，由IGBT構成的逆變器會對其他部件產生很強的干擾。這些干擾不僅影響電路的正常工作，甚至有可能會使逆變器因為瞬時短路而損壞。因此，應對電磁干擾給予足夠的重視，而合理的安裝與布局能夠減少電磁干擾。

　　常見的干擾及相應的措施有：

　　（1）隔離供電抑制IGBT開關干擾由于供電變壓器的分布電容和耦合電感的影響，當其中一個IGBT導通或關斷時產生的強尖峰脈沖會通過分布電容（電感）干擾其它IGBT的正常工作。因此，全橋逆變器的每一個觸發電路必須隔離供電來抑制這種干擾。

　　（2）由于逆變器的平均工作電流和瞬時峰值電流很大，逆變電路中的漏電感，甚至很小的引線電感也不能忽略。如果不仔細設計PCB的布局，這些磁通會穿過閉合的PCB導線而形成電流。為此，可采取以下措施抑制干擾：

　　a，每一個IGBT的觸發電路元件應集中在一個狹窄的區域，避免互相交叉;

　　b，同一相位的觸發電路應相鄰，而兩組之間距離應相對較遠;

　　c，PCB與IGBT之間的引線應盡可能短并互相絞合。

　　5 IGBT電壓電流參數選取

　　在保護吸收電路中，當T1導通，T2截止時，T2承受的電壓Uce2為：

　　考慮電網波動為+/-10%，T2成熟的電壓為Uce2為：

　　再考慮到電路中開通關斷瞬時電壓，及IGBT模塊承受電壓應留有50%～80%的裕量，其所選模塊電壓BVce應為：

　　考慮電網的波動、啟動時電流尖峰的影響，選擇的IGBT模塊Icm為：

　　其中，Pn為逆變器輸出功率。δ為脈沖占空比，η為逆變器效率。

　　6 結束語

　　本文主要介紹了IGBT構成的電機傳動用逆變器的主電路組成及IGBT參數選擇，驅動電路、緩沖吸收電路的組成及參數選擇以及主電路安裝和布局應注意的問題，對實際應用中的逆變器設計有一定價值。

　　數字化IGBT模塊化的設計：

　　1引言

　　隨著電力電子器件技術的發展，大功率器件在軌道交通、直流輸電、風力發電等領域的市場迅猛發展，其中以IGBT器件表現尤為突出，在具體的應用工況中，每一個IGBT模塊都需要一個專門的驅動器，IGBT驅動器對IGBT的運行性能有著重大影響［1-3］。

　　傳統利用模擬電路實現的IGBT驅動器技術較成熟，運行穩定，但是由于其驅動器各參數設置大都采用硬件實現，參數調整比較復雜，不同型號的IGBT必須設計不同的驅動器，本文利用數字控制器對柵極控制，可以靈活的修改驅動器的軟件參數設置，來調整IGBT工作的性能，對于不同的IGBT型號，只需要加載不同的驅動程序，即可以解決傳統驅動器產品的型號匹配問題。

　　如圖1示，驅動器主要包括：高等級隔離電源、光纖通信接口、功率放大電路、檢測保護電路、數字控制器等五部分。

　　2.1高等級隔離電源

　　高壓IGBT驅動器設計中，電源設計是關鍵部分之一，電源的輸出功率決定了IGBT在實際工作中能夠使用的工作頻率，如果電源輸出功率不足，可能會在IGBT器件高頻工作時，出現欠壓現象，導致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

　　本設計中采用Ti公司的LM5025芯片設計反激式DC-DC電路（電路圖見圖2），電路中的初級具有電流檢測軟起動功能，當電流檢測電阻上的壓降達到0.25V時，對電源起到很好的過流保護作用。

　　2.2光纖通信接口

　　在用戶主控系統通信的接口設計上，選擇抗干擾能力強的光纖通信，防止控制信號被干擾出現誤觸發。光纖選用HFBR-1522、HFBR-2522，光纖電路如圖3。

　　2.3功率放大電路

　　選擇導通阻抗非常低的mosFET作為開關器件，構成IGBT柵極功率輸出電路，如圖4，同時，采用多個柵極電阻切換的方式，實現不同條件下對IGBT性能的調整。在IGBT正常開關時，可以通過調整柵極電阻來控制器件的開關速度，達到優化器件效率的目的。在IGBT出現工作異常時（例如短路），可以通過調整柵極電阻來控制器件的工作狀態，防止器件損壞達到保護器件的目的。

　　2.4檢測保護電路

　　為防止IGBT器件工作中出現任何異常故障，驅動器需要對IGBT的狀態參數進行檢測，如果發現異常，驅動器自動采取保護動作，并通知主控器。

　　欠壓檢測：目前各個IGBT廠商推薦IGBT器件工作時的柵極電壓為±15V（柵極最大承受電壓為±20V），如果IGBT器件在工作中出現低于15V的情況，根據IGBT器件飽和壓降VCE與柵極電壓的關系（如圖5示），隨著柵極電壓的下降，IGBT飽和壓降會增加，造成IGBT器件損耗增加，有可能會損壞器件，所以，必須對驅動器輸出柵極的電壓進行檢測，如果出現欠壓開通情況，驅動器要立即進行保護。同時需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當器件開通時柵極出現高于+15V電壓，器件如果出現故障會出現比正常工況更大的短路電流，所以驅動器必須確保柵極開通電壓處于合理的范圍內。

　　Vce電壓檢測：Vce電壓檢測可以為數字控制器提供IGBT器件參數，控制器通過Vce電壓可以判斷IGBT的工作狀態，從而采取對應的策略對IGBT進行不同的控制方式。

　　過壓保護：在IGBT器件關斷過程中，由于母線回路寄生電感的存在，關斷電壓會產生一個電壓過沖尖峰，過沖幅值為△V=Ls*di/dt，如果尖峰電壓超過IGBT器件的額定電壓，IGBT器件會被擊穿，造成器件損壞。

　　過壓保護電路采用的是TVS管與限流電阻串聯的方式，由集電極接入柵極（如圖6示），當關斷過程中集電極出現超過設定值（設定值小于IGBT額定值）的電壓尖峰時，TVS管反向導通，通過限流電阻向柵極注入電流，減慢IGBT關斷速度（減小di/dt），從而達到限制電壓尖峰的目的。用戶根據具體的應用工況，選擇適合的TVS管的數量和單個TVS擊穿電壓參數。

　　di/dt檢測：（如圖示7），IGBT模塊內部等效圖可以看到，由于IGBT模塊內部鏈接的主電極回路與輔助電極回路之間存在寄生電感，在IGBT模塊工作時，主電流IC從主電極流入，經過寄生電感L流出，依據電感感生電壓V=-L*di/dt，從公式可以看出，感生電壓V值與di/dt值成正比關系，通過檢測L上產生的感生電壓可以獲得主電流Ic的di/dt值。在IGBT模塊工作的過程中，如果感生電壓高于或低于設定值都認為器件di/dt出現異常狀態，需要進行保護，并向主控系統報告出現di/dt故障。

　　數字控制器功能

　　數字控制器主要完成根據輸入信號控制功率放大電路，驅動IGBT器件。同時，根據檢測電路的反饋信號判定IGBT器件的工作狀態，如果出現異常狀況，立即按照設定策略對IGBT器件進行保護。

　　4 驅動級測試

　　為初步確定驅動級基本功能的正確性和可行性，利用圖8樣品板進行測試，測試樣品為3300V-1500A IGBT模塊，采用通用型雙脈沖測試方法，測試波形如圖9。

　　從上圖測試結果可以看出，驅動板可以在測試條件下安全的開通和關斷IGBT模塊。

　　5 改進方向

　　本論文提出的數字型IGBT驅動器在過壓保護檢測上采用的TVS管串聯的方式，只可以對IGBT器件關斷中di/dt產生的寄生過壓有較好的效果，但是這種方法也存在弊端，如果用戶對于過壓保護的閾值設定不合理，及系統在運行中會出現較多的過壓，或較長時間過壓，此時IGBT器件會出現柵極被高壓損壞，或本應關斷的IGBT被動強行開通，出現上下管短路的狀態，損壞上下管IGBT。所以可以加入Vce檢測電路，實時檢測集電極電壓，制定保護策略。