三電平逆變器的硬件設計

王昉 張樹團

（海軍航空工程學院，山東 264001）

1 引言

目前，逆變器的應用越來越廣泛。三電平逆變器作為多電平逆變器拓撲結構之一，在實際工業(yè)領域獲得了廣泛的應用。隨著交流電機調速理論的發(fā)展、新型大功率電力電子器件的產(chǎn)生、新型變頻技術以及微電子技術的應用，以及變頻器在高壓大功率系統(tǒng)中應用的日益廣泛，三電平逆變器作為變頻器的一個分支越來越受到重視。

2 逆變主電路的設計

三相三電平逆變器實驗平臺的系統(tǒng)構成如圖1所示，整個系統(tǒng)由逆變主電路，電壓檢測電路，電流檢測電路，控制電路，驅動電路構成。

逆變器主電路是系統(tǒng)的核心，它主要實現(xiàn)電能的DC/AC轉換；控制電路主要是SVPWM的生成，對主電路進行適當?shù)目刂疲寗与娐穼崿F(xiàn)主電路和控制電路之間的信號連接，并且實現(xiàn)主電路和控制電路之間的電氣隔離；電壓檢測電路實現(xiàn)對主電路直流側電容電壓的檢測；電流檢測電路實現(xiàn)對輸出電流的檢測。

圖1 三相三電平逆變器系統(tǒng)框圖

逆變主電路采用三相三電平二極管箝位式逆變橋，逆變結構如圖2所示。輸入電壓為400 V，輸出電壓200 V/50 Hz，功率管開關頻率為3 kHz，逆變器的設計功率為5 kW。

2.1 開關管的選取[1]

輸入電壓400 V，由于采用二極管箝位，正常工作時功率開關管耐壓為200 V，考慮2倍裕量，功率開關管電壓定額取400 V；功率開關電流等于電感電流，考慮一定的裕量，功率管電流定額取20 A。所以選用MOS管型號為IRF460（額定耐壓為500 V，電流為21.0 A）。需要指出的是，在 IRF460內(nèi)，廠家已經(jīng)在其內(nèi)部封裝有反并聯(lián)的快恢復二極管，它的過電流能力與主管相當，所以在主電路中是不需要加反并聯(lián)二極管的。

圖2 逆變橋結構圖

2.2 箝位二極管的選取

箝位二極管承受的反向電壓為母線電壓的一半200 V，考慮2倍裕量，箝位二極管電壓定額取400 V；承受正向電流即逆變器輸出電流，考慮3倍裕量，箝位二極管電流定額取30 A。所以箝位二極管選擇BYV29-500 M，其反向峰值電壓達500 V，正向峰值電流可達200 A。

2.3 分壓電容的選取

電容工作時耐壓為200 V，考慮到2倍裕量，電壓定額取 400 V；由于流經(jīng)電容中點的電流主要是三次諧波電流，考慮三次諧波電流造成的中點電壓脈動較小，故分壓電容選取：450 V/470 μF。

3 驅動電路

3.1 MOSFET的驅動

電力MOSFET的驅動特點[2]：

1) 電力 MOSFET為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存儲效應，輸入阻抗高。因而開關速度可以提高，驅動功率小，電路簡單。

2) 但電力MOSFET極間電容較大，開關速度和驅動源內(nèi)阻有關。

3) 和GTR相似，電力MOSFET柵極驅動也要考慮保護、隔離等問題。

電力 MOSFET對柵極驅動電路的要求主要有：

1) 能提供合適的柵極電壓，上升和下降速度快，即脈沖前后沿陡峭。

2) 盡量減小驅動電路輸出電阻，提高電力MOSFET的開關速度。

3) 為了可靠導通，正驅動電壓應高于開啟電壓。為了加快關斷速度、防止在關斷狀態(tài)時誤導通，截止時最好能提供負柵壓。

4) 驅動電路應具備良好的電氣隔離性能，實現(xiàn)主、控電路間隔離，具有好的抗干擾性能。

5) 驅動電路應具有適當?shù)谋Ｗo功能，如過電流保護、欠壓保護、過壓箝位保護、器件過熱保護等。

6) 驅動電路應該簡單可靠，體積小，成本低。

3.2 驅動電路的實現(xiàn)

三電平逆變器主電路共有12個開關器件，由主電路結構可以看出，上面九個MOSFET的驅動信號是不能共地的，如果采用單路驅動的驅動器，至少需要十個獨立直流電源給12個驅動器供電。這樣會使電路設計非常復雜，同時也增加了設計成本。國際整流器公司的 MOS柵極驅動器系列產(chǎn)品把驅動高壓側和低壓側MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)。外接很少的分立元件，就能提供極快的開關速度和低的功耗。這是依據(jù)自舉原理工作或加一浮動電源。工作在自舉模式時，在絕大多數(shù)的應用中它們的工作頻率可由數(shù)十赫茲到數(shù)百千赫茲。

綜合考慮以上因素，選取 International Rectifier公司推出的IR2110作為三相三電平逆變器的驅動器。IR2110的驅動頻率可達100 kz，工作電壓達500 V，內(nèi)部特殊的自舉技術可以允許同時輸出兩個不共地的驅動信號，6個IR2110僅需四個直流電源供電，可以大大降低系統(tǒng)的成本，簡化系統(tǒng)的硬件結構[3]。

采用 IR2110設計的單相驅動電路如圖 3所示，自舉電容C4通常采用0.1 μF就可滿足5 kHz以上的開關頻率。在 Vcc和 COM間，VDD和Vss間要連接兩個旁路電容[4]。

圖3 IR2110的典型應用

4 光耦隔離

為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，可使用高速光耦如6N137等元件將控制部分與由IR2110構成的驅動電路隔離，這樣可使控制電路的邏輯地和驅動電路的邏輯地相互獨立。連接電路見圖4。

圖4 6N137典型連接

6N137 的結構原理如圖5所示，信號從引腳2和引腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導通，經(jīng)電流－電壓轉換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入端為使能端，當使能端為高時與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入信號電流小于觸發(fā)閥值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調整電路[5]。

圖5 6N137結構原理圖

若希望在傳輸過程中不改變邏輯狀態(tài)，則從引腳3輸入，引腳2接高電平。引腳2須接限流電阻。如果不加限流電阻或阻值很小，6N137仍能工作，但發(fā)光二極管導通電流很大，對Vcc有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時，上升、下降沿的頻譜很寬，會造成相當大的尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會使地線吸收不了這種噪聲，其峰－峰值可達100 mV以上，足以使模擬電路產(chǎn)生自激，A/D不能正常工作。所以在可能的情況下，限流電阻應盡量取大。在Vcc(腳8)和(腳5)之間必須接一個0.1 μF高頻特性良好的電容，如瓷介質或鋰電容而且應盡量放在腳5和腳8附近。這個電容既可以吸收電源線上紋路，又可以減小光電隔離器接收端開關工作時對電源的沖擊。腳7是使能端，當它在0－0.8 V時強制輸出為高(開路)；當它在2.0 V—Vcc時允許接收端工作。腳6是集電極開路輸出端，通常加上拉電阻。因為電阻太小會使6N137耗電增大，加大對電源的沖擊使旁路電容無法吸收，而干擾整個模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地線上。

應該特別說明的是芯片兩端的電源Vcc_5 V和 Vcc，還有兩個地必須是完全隔離的，否則采用光耦也就失去了意義。

5 中點電壓檢測電路的設計

主要包括中點電位檢測和過流檢測。中點電位檢測電路的設計如圖6所示。圖中電阻選擇100 kΩ以上，保證參考電位的穩(wěn)定，同時又不增加系統(tǒng)功耗。中點電位是有正負的，但是DSP的AD轉換口允許輸入的電壓值為 0-5 V，所以必須進行電平變換及限幅。具體電路如圖7所示，Uo為中點電壓，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為5 V，具體電阻值需要根據(jù)實際的中點電壓值進行確定。

圖6 檢測電路圖

圖7 電平變換電路

6 結束語

三電平逆變器式近年來發(fā)展起來的一種新興變流技術，與傳統(tǒng)的變流器相比，它能增大系統(tǒng)的容量和耐壓，減小變流器的開關損耗和輸出電壓諧波含量，目前已成為大容量變流裝置的主要電路方式。

[1] 黃俊，秦祖蔭. 電力電子自關斷器件及電路. 北京：機械工業(yè)出版社, 1991.

[2] 何希才,毛德柱. 新型半導體器件及其應用實例. 北京：電子工業(yè)出版社, 2002.12.

[3] 設計指南. 功率驅動集成電路中自舉元件的選擇.

[4] IR推出三相逆變器驅動器集成電路. 2002.11.25

[5] 邵暉，舒嶸. 光電隔離器 6N137的特性和應用. 電子技術, 1996,23(2):38-39.