變頻器和IGBT的基礎知識

變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將電網(wǎng)電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調(diào)的交流電，作為電動機的電源裝置，目前在國內(nèi)外使用廣泛。使用變頻器可以節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率等。

1變頻器組成原理

1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)

調(diào)速用變頻器構(gòu)成：主電路、控制電路、保護電路

變頻器主電路工作原理

變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)框圖

按照不同的控制方式，交－直－交變頻器可分成以下三種方式：

采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式的特點：

在這種裝置中，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個環(huán)節(jié)上分別進行，在控制電路上協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當電壓調(diào)得較低時，電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成多拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大，因此這類控制方式現(xiàn)在用的較少。

采用不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式的特點：

整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，只整流不調(diào)壓，再單獨設置斬波器，用脈寬調(diào)壓，這種方法克服功率因數(shù)較低的缺點；但輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的缺點；

采用不控制整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖。

不控制整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的控制方式的特點：

在這類裝置中，用不控整流，則輸入功率因數(shù)不變；用（PWM）逆變，則輸出諧波可以減小。PWM逆變器需要全控型電力半導體器件，其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。采用絕緣雙極型晶體管IGBT時，開關(guān)頻率可達10kHz以上，輸出波形已經(jīng)非常逼近正弦波，因而又稱為SPWM逆變器，成為當前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。

電壓型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電壓型變頻器：

在交－直－交變頻器中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電壓型變頻器

電流型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電流型變頻器：

當交－直－交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻器叫做電流型變頻器。

2幾種典型的交－直－交變頻器的主電路

①交－直－交電壓型變頻電路

常用的交—直—交電壓型PWM變頻電路。

交—直—交電壓型PWM變頻電路采用二極管構(gòu)成整流器，完成交流到直流的變換，其輸出直流電壓Ud是不可控的；中間直流環(huán)節(jié)用大電容C濾波；電力晶體管V1～V6構(gòu)成PWM逆變器，完成直流到交流的變換，并能實現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時調(diào)節(jié)，VD1～VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。

②交－直－交電流型變頻電路

常用的交－直－交電流型變頻電路。

交－直－交電流型變頻電路：整流器采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U，實現(xiàn)調(diào)壓功能；中間直流環(huán)節(jié)用大電感L濾波；逆變器采用晶閘管構(gòu)成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路，完成直流到交流的變換，并實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。

③交－直－交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較

3絕緣門極晶體管（IGBT）

一．IGBT的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

絕緣門極晶體管IGBT也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發(fā)展起來的復合型電力電子器件。

由于它結(jié)合了MOSFET和GTR的特點，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又具有輸入通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在變頻器驅(qū)動電機，中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有著主導地位。

1. IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1）基本結(jié)構(gòu)

IGBT也是三端器件，三個極為漏極（D）、柵極（G）和源極（S）。

（a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）簡化等效電路（c）電氣圖形符號

2）工作原理

IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。

開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的，當UGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導通。

當柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關(guān)斷。

2.IGBT的基本特性與主要參數(shù)

IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

（a) 轉(zhuǎn)移特性 （b) 輸出特性

1）IGBT的基本特性

① 靜態(tài)特性

IGBT的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。

開啟電壓UGE（th）是IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓。

UGE（th）隨溫度升高而略有下降，溫度升高1oC，其值下降5mV左右。在+25oC時，UGE（th）的值一般為2~6V。

IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

IGBT的開關(guān)過程

2）主要參數(shù)

①集電極—發(fā)射極額定電壓UCES

②柵極—發(fā)射極額定電壓UGES

③額定集電極電流IC

3.IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)

從IGBT的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，IGBT電流可能發(fā)生失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤消觸發(fā)信號晶閘管仍然因進入正反饋過程而維持導通的機理一樣，因此被稱為擎住效應或自鎖效應。

引發(fā)擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過大（動態(tài)擎住效應），溫度升高也會加重發(fā)生擎住效應的危險。

動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應而確定的。

根據(jù)最大集電極電流、最大集電極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍；根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍，即反向偏置安全工作電壓（RBSOA）

4IGBT的驅(qū)動電路

（1)對驅(qū)動電路的要求

①IGBT是電壓驅(qū)動的，具有一個2.5~5.0V的閥值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。

②用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UCE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。

③驅(qū)動電路中的正偏壓應為+12~+15V，負偏壓應為-2~-10V。

④IGBT多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應整個控制電路在電位上嚴格隔離。

⑤驅(qū)動電路應盡可能簡單實用，具有對IGBT的自保護功能，并有較強的抗干擾能力。

⑥若為大電感負載，IGBT的關(guān)斷時間不宜過短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。

（2)驅(qū)動電路

因為IGBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動電路同樣可以用于IGBT。

在用于驅(qū)動電動機的逆變器電路中，為使IGBT能夠穩(wěn)定工作，要求IGBT的驅(qū)動電路采用正負偏壓雙電源的工作方式。

為了使驅(qū)動電路與信號電隔離，應采用抗噪聲能力強，信號傳輸時間端的光耦合器件。

基極和發(fā)射極的引線應盡量短，基極驅(qū)動電路的輸入線應為絞合線

為抑制輸入信號的振蕩現(xiàn)象，基極和發(fā)射極并聯(lián)一阻尼網(wǎng)絡。

驅(qū)動電路的輸出級采用互補電路的形式以降低驅(qū)動源的內(nèi)阻，同時加速IGBT的關(guān)斷過程。

IGBT基極驅(qū)動電路

a) 阻尼濾波 （b) 光電隔離

（3)集成化驅(qū)動電路

IGBT有與其配套的集成驅(qū)動電路。

這些專用驅(qū)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(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動。

5IGBT的保護電路

因為IGBT是的保護主要是柵源過電壓保護、靜電保護、采用R-C-VD緩沖電路等等。

在IGBT電控系統(tǒng)中設置過壓、欠壓、過流和過熱保護單元，以保證安全可靠工作。

必須保證IGBT不發(fā)生擎住效應；具體做法是，實際中IGBT使用的最大電流不超過其額定電流。

1）緩沖電路

幾種用于IGBT橋臂的典型緩沖電路。

（a) （ b) （c)

a)圖是最簡單的單電容電路，適用于50A以下的小容量IGBT模塊，由于電路無阻尼組件，易產(chǎn)生LC振蕩，故應選擇無感電容或串入阻尼電阻RS；

b)圖是將RCD緩沖電路用于雙橋臂的IGBT模塊上，適用于200A以下的中等容量IGBT；

c)圖中，將兩個RCD緩沖電路分別用在兩個橋臂上，該電路將電容上過沖的能量部分送回電源，因此損耗較小，廣泛應用于200A以上的大容量IGBT。

（2）IGBT的保護

過電流保護措施主要是檢測出過電流信號后迅速切斷柵極控制信號來關(guān)斷IGBT。

實際使用中，要求在檢測到過電流后，通過控制電路產(chǎn)生負的柵極驅(qū)動信號來關(guān)斷IGBT。只要IGBT的額定參數(shù)選擇合理，10內(nèi)的過電流一般不會使之損壞。

采用集電極電壓識別方法的過流保護電路。

6集電極電壓識別方法的過流保護電路

為了避免IGBT過電流的時間超過允許的短路過電流時間，保護電路應當采用快速光耦合器等快速傳送組件及電路。

檢測發(fā)射極電流過流的保護電路。

審核編輯：湯梓紅