IGBT逆變電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

《高等學(xué)校"十二五"重點(diǎn)規(guī)劃教材·信息與自動(dòng)化系列:IGBT逆變電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》闡述了IGBT逆變電源的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用案例，內(nèi)容包括該領(lǐng)域最重要的基礎(chǔ)理論以及最新的發(fā)展。全書(shū)分為三部分共11章，內(nèi)容包括:逆變電源的簡(jiǎn)介、基本元器件簡(jiǎn)介、逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PWM脈寬調(diào)制技術(shù);常用波形發(fā)生芯片及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、IGBT吸收電路設(shè)計(jì)、IGBT功率損耗計(jì)算、電源的PCB設(shè)計(jì);電池均衡器、數(shù)字化感應(yīng)加熱電源、逆變式等離子切割電源。全書(shū)內(nèi)容豐富，體系新穎，理論聯(lián)系實(shí)際，系統(tǒng)性和實(shí)踐性強(qiáng)。

一個(gè)理想的 igbt 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有以下基本性能: (1)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) ,能為 igbt 柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng) igbt 在硬開(kāi)關(guān)方式下工作時(shí) ,會(huì)在開(kāi)通及關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗。這個(gè)過(guò)程越長(zhǎng) ,開(kāi)關(guān)損耗越大。器件工作頻率較高時(shí) ,開(kāi)關(guān)損耗甚至?xí)蟠蟪^(guò) igbt 通態(tài)損耗 ,造成管芯溫升較高。 這種情況會(huì)大大限制 igbt 的開(kāi)關(guān)頻率和輸出能力 ,同時(shí)對(duì) igbt的安全工作構(gòu)成很大威脅。 igbt的開(kāi)關(guān)速度與其柵極控制信號(hào)的變化速度密切相關(guān)。igbt 的柵源特性呈非線性電容性質(zhì) ,因此 ,驅(qū)動(dòng)器須具有足夠的瞬時(shí)電流吞吐能力 ,才能使 igbt 柵源電壓建立或消失得足夠快 ,從而使開(kāi)關(guān)損耗降至較低的水平。 另一方面 ,驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻也不能過(guò)小 ,以免驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同時(shí) ,過(guò)短的開(kāi)關(guān)時(shí)間也會(huì)造成主回路過(guò)高的電流尖峰 ,這既對(duì)主回路安全不利 ,也容易在控制電路中造成干擾。 ( 2) 能向 igbt提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?。 igbt導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān) ,在漏源電流一定的情況下 , u 越高 , u 就越低 ,gs ds器件的導(dǎo)通損耗就越小 ,這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是 并非越高越好 一般, ugs ,不允許超過(guò) 原因是一旦發(fā)生過(guò)流或短路20v , ,柵壓越高 則電流幅值越高 損壞的可能, ,igbt性就越大。通常 ,綜合考慮取 +15v 為宜。 (3) 能向 igbt 提供足夠的反向柵壓。在igbt關(guān)斷期間 ,由于電路中其它部分的工作 ,會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)。這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的 igbt 處于微通狀態(tài) ,增加管子的功耗 ,重則將使逆變電路處于短路直通狀態(tài)。因此 ,最好給應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的igbt加一反向柵壓(幅值一般為 5~15v) ,使igbt在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。 (4)有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設(shè)備中 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系 而,igbt ,控制電路一般不希望如此。另外許多電路(如橋式逆變器)中的 的工作電位差別很大igbt ,也不允許控制電路與其直接耦合。因此 驅(qū)動(dòng),器具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作 ,同時(shí)有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但是 ,這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正常傳輸。 (5) 具有柵壓限幅電路 ,保護(hù)柵極不被擊穿。igbt柵極極限電壓一般為 ±20v ,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。(6)輸入輸出信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí)。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后 ,另一方面能提高保護(hù)的快速性。 (7)電路簡(jiǎn)單 ,成本低。 (8) igbt損壞時(shí) ,驅(qū)動(dòng)電路中的其它元件不會(huì)隨之損壞。igbt燒毀時(shí) ,集電極上的高電壓往往會(huì)通過(guò)已被破壞的柵極竄入驅(qū)動(dòng)電路 ,從而破壞其中的某些元件。 由于 igbt 承受過(guò)流或短路的能力有限 ,故 igbt驅(qū)動(dòng)器還應(yīng)具有如下功能: (9)當(dāng) igbt處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí) ,能在 igbt允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流 ,實(shí)現(xiàn) igbt 的軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過(guò)高的 di/ dt。 在雜散電感的作用下 ,過(guò)高的 di/ dt 會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰 ,使 igbt 承受不住而損壞。同理 ,驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響 ,即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí) ,無(wú)論此時(shí)有無(wú)輸入信號(hào) ,都應(yīng)無(wú)條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。 在各種設(shè)備中 ,二極管的反向恢復(fù)、電磁性負(fù)載的分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在igbt開(kāi)通時(shí)造成尖峰電流。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過(guò)流的能力 ,在尖峰電流過(guò)后 ,應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓 ,保證電路的正常工作。 (10)在出現(xiàn)短路、過(guò)流的情況下 ,能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào) ,供控制電路進(jìn)行處理。

1 確定igbt門(mén)極容量 在設(shè)計(jì)和選購(gòu)igbt 驅(qū)動(dòng)器之前,必須首先知道igbt 的門(mén)極負(fù)荷q,這是一個(gè)十分重要的參數(shù),但在igbt 的技術(shù)參數(shù)中生產(chǎn)廠家一般并不直接給出,而需要我們借助其它參數(shù)得到。igbt 具有mosfet 的輸入級(jí),在igbt的技術(shù)資料中往往有一個(gè)參數(shù)ciss,一般我們把它叫作輸入電容,該電容的測(cè)試往往是在ugs=0,uos=25v,f=1mhz 的情況下進(jìn)行,由于密勒效應(yīng), 該值往往比在ugs= o v 時(shí)要小,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),igbt 的輸入電容一般滿足下面的公式 cin≈5ciss 一般simens 和 eupec 公司的igbt 滿足上述公式。 知道了igbt 的輸入電容cin,門(mén)極的負(fù)荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表門(mén)極的驅(qū)動(dòng)電壓, 大多數(shù)的igbt 開(kāi)通電壓+15v,關(guān)斷電壓-5v,因而△u= 2 0 v , 如應(yīng)用十分廣泛的e x b 8 4 1 系列。高電壓、大電流igbt 往往開(kāi)通關(guān)斷均為15v,因而△ u= 3 0 v 。 2 開(kāi)關(guān)頻率確定 開(kāi)關(guān)頻率的大小不僅影響系統(tǒng)的控制精度,而且影響系統(tǒng)的整體性能,如運(yùn)行效率,噪聲指標(biāo)。開(kāi)關(guān)頻率是所有電力電子變換器的一個(gè)重要參數(shù)。 根據(jù)igbt 的門(mén)極容量,儲(chǔ)存在igbt 輸入電容中的能量可以計(jì)算得到 每個(gè)脈沖周期柵極充放電各一次,因而驅(qū)動(dòng)一只igbt 的功率為: f 為開(kāi)關(guān)頻率。驅(qū)動(dòng)器的平均輸出電流iout可以這樣得到: p=iout * △u 比較上面兩式q=iout / f 驅(qū)動(dòng)器的平均電流在數(shù)據(jù)文檔可以找到,則igbt的最大允許開(kāi)關(guān)頻率可以得到: 。 3 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻rg的選取 igbt 的開(kāi)關(guān)時(shí)間是由驅(qū)動(dòng)器對(duì)igbt 的輸入電容的充放電來(lái)控制, 增加門(mén)極輸出電流,igbt 開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短,開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)降低, rg主要是用來(lái)限制門(mén)極輸出的降值電流, rg可由下式確定: rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)文檔中找到。有些情況下,充放電峰值電流不同,門(mén)極電阻可以分別選取。 4 igbt驅(qū)動(dòng)器的比較選擇 4.1 光電耦合和變壓器耦合式比較 光電耦合隔離式采用直流電源,輸出脈沖寬度可調(diào)。通過(guò)檢測(cè)集電極電壓實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。具有使用方便穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是雙側(cè)均采用電源,電路復(fù)雜。比如exb841驅(qū)動(dòng)器,光電耦合器輸入與輸出之間耐壓一般較低為交流2500v,但實(shí)際使用中設(shè)備承受力不符合其條件,給使用帶來(lái)限制。另外,一旦igbt 燒壞,驅(qū)動(dòng)器受到損壞給維修帶來(lái)不便且不經(jīng)濟(jì)。 變壓器耦合隔離式不用專設(shè)的電源,線路簡(jiǎn)單, 輸入輸出間耐壓高, 成本低、響應(yīng)快.缺點(diǎn)是igbt 關(guān)斷期間得不到持續(xù)的反向門(mén)極電壓,抗干擾能力差,且輸出脈沖寬度不可調(diào),不能實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù),并且由于漏感的存在使繞組的繞制工藝復(fù)雜容易出現(xiàn)振蕩。 4.2 igbt 驅(qū)動(dòng)器選擇 目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器:光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)器有日本富士exb841,國(guó)內(nèi)落木源電子ka101,日本英達(dá)hr065等。變壓器隔離式驅(qū)動(dòng)器有美國(guó)unitrode公司uc3724-3725系列,還有專用的用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上2個(gè)igbt的美國(guó)ir公司的ir2110及國(guó)內(nèi)落木源電子的kd303，還有德國(guó)西門(mén)子公司的skh121等?？晒┻x用的范圍很廣,應(yīng)用方便。但使用時(shí)應(yīng)注意過(guò)電流問(wèn)題, 比如exb841 系列驅(qū)動(dòng)器,采用era34-10 型快速二極管, 導(dǎo)通電壓為3v , 反向耐壓采用與igbt 相同的等級(jí).可以實(shí)現(xiàn)自身過(guò)電流保護(hù),但若igbt 過(guò)電流對(duì)其壽命是有影響的。解決辦法是: ①反串穩(wěn)壓管, 限制igbt 的電流為200a,使工作穩(wěn)定可靠且電路簡(jiǎn)單;②采用電流傳感器進(jìn)行直接限流.上述幾種驅(qū)動(dòng)器由窄脈沖過(guò)電流無(wú)法限制,應(yīng)采用別的措施,在此不一一論述。

逆變電源包括:

電力專用逆變電源

通信專用逆變電源

動(dòng)力型工頻逆變電源

工業(yè)正弦波逆變電源

方波逆變電源

醫(yī)用逆變電源的作用和特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備大多采用220V市電供電。由于各種不同類型的醫(yī)療設(shè)備供電需求，使用最多的是集中式供電結(jié)構(gòu)。即由一個(gè)集中的電源變換器產(chǎn)生所需各種電壓等級(jí)的輸出電壓。由于它成本低廉、效率高、輸出電壓可調(diào)整、輸出噪音小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等非常適合醫(yī)療類設(shè)備使用，是醫(yī)療類設(shè)備目前使用最多的一種供電方式。醫(yī)療設(shè)備電源方案確定需要考慮下面幾個(gè)問(wèn)題。

安全與隔離是普通商用電源與醫(yī)療電源的一個(gè)重大差別。通常，除了一些實(shí)驗(yàn)分析類儀器，醫(yī)療設(shè)備大多安裝在病床或手術(shù)臺(tái)附近，離人和操作者的距離比較近，外殼常常會(huì)被觸及到。醫(yī)療設(shè)備內(nèi)部有各種各樣的強(qiáng)，弱電的部件，如果強(qiáng)弱電之間的隔離或者是外殼材料絕緣有問(wèn)題，就會(huì)非常危險(xiǎn)。安全測(cè)試方面一般醫(yī)療設(shè)備電源都必須得到UL60601-1、C-UL、EN60601-1等安全認(rèn)證。輸入輸出端必須要4，000V以上的隔離電壓，而且要求對(duì)地漏電流低，符合安規(guī)爬電距離要求。而對(duì)于強(qiáng)電部分需采用雙重絕緣，尤其有可能與設(shè)備外殼接觸的部分更要加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)。

電磁兼容性和抗電磁干擾能力

要為醫(yī)療類設(shè)備選擇或者搭建一個(gè)好的供電系統(tǒng)，必須注意提高電源的電磁兼容性和抗電磁干擾能力。主要要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮:設(shè)計(jì)。PCB的設(shè)計(jì)和布局，一般的電源中都會(huì)包含一些高頻信號(hào)，PCB上的任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長(zhǎng)度和寬度都會(huì)影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)，及時(shí)通過(guò)直流信號(hào)的印制線也會(huì)從臨近的印制線耦合到射頻信號(hào)并引起電路的問(wèn)題。所以醫(yī)療類電源必須選擇大品牌，具有很強(qiáng)研發(fā)實(shí)力的公司的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝方面都能保證良好的品質(zhì)。