三電平逆變器的硬件設(shè)計(jì)

王昉 張樹團(tuán)

（海軍航空工程學(xué)院，山東 264001）

1 引言

目前，逆變器的應(yīng)用越來越廣泛。三電平逆變器作為多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著交流電機(jī)調(diào)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(shù)以及微電子技術(shù)的應(yīng)用，以及變頻器在高壓大功率系統(tǒng)中應(yīng)用的日益廣泛，三電平逆變器作為變頻器的一個(gè)分支越來越受到重視。

2 逆變主電路的設(shè)計(jì)

三相三電平逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由逆變主電路，電壓檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

逆變器主電路是系統(tǒng)的核心，它主要實(shí)現(xiàn)電能的DC/AC轉(zhuǎn)換；控制電路主要是SVPWM的生成，對(duì)主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲?qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路之間的信號(hào)連接，并且實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路之間的電氣隔離；電壓檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路直流側(cè)電容電壓的檢測(cè)；電流檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的檢測(cè)。

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(jié)構(gòu)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(guān)頻率為3 kHz，逆變器的設(shè)計(jì)功率為5 kW。

2.1 開關(guān)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(shí)功率開關(guān)管耐壓為200 V，考慮2倍裕量，功率開關(guān)管電壓定額取400 V；功率開關(guān)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(hào)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(fù)二極管，它的過電流能力與主管相當(dāng)，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(jié)構(gòu)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(dá)500 V，正向峰值電流可達(dá)200 A。

2.3 分壓電容的選取

電容工作時(shí)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(diǎn)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(diǎn)電壓脈動(dòng)較小，故分壓電容選取：450 V/470 μF。

3 驅(qū)動(dòng)電路

3.1 MOSFET的驅(qū)動(dòng)

電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)[2]：

1) 電力 MOSFET為單極型器件，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，輸入阻抗高。因而開關(guān)速度可以提高，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單。

2) 但電力MOSFET極間電容較大，開關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻有關(guān)。

3) 和GTR相似，電力MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)也要考慮保護(hù)、隔離等問題。

電力 MOSFET對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路輸出電阻，提高電力MOSFET的開關(guān)速度。

3) 為了可靠導(dǎo)通，正驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)高于開啟電壓。為了加快關(guān)斷速度、防止在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)誤導(dǎo)通，截止時(shí)最好能提供負(fù)柵壓。

4) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備良好的電氣隔離性能，實(shí)現(xiàn)主、控電路間隔離，具有好的抗干擾性能。

5) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能，如過電流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓箝位保護(hù)、器件過熱保護(hù)等。

6) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該簡(jiǎn)單可靠，體積小，成本低。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

三電平逆變器主電路共有12個(gè)開關(guān)器件，由主電路結(jié)構(gòu)可以看出，上面九個(gè)MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是不能共地的，如果采用單路驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，至少需要十個(gè)獨(dú)立直流電源給12個(gè)驅(qū)動(dòng)器供電。這樣會(huì)使電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)成本。國際整流器公司的 MOS柵極驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個(gè)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(guān)速度和低的功耗。這是依據(jù)自舉原理工作或加一浮動(dòng)電源。工作在自舉模式時(shí)，在絕大多數(shù)的應(yīng)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(qū)動(dòng)器。IR2110的驅(qū)動(dòng)頻率可達(dá)100 kz，工作電壓達(dá)500 V，內(nèi)部特殊的自舉技術(shù)可以允許同時(shí)輸出兩個(gè)不共地的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，6個(gè)IR2110僅需四個(gè)直流電源供電，可以大大降低系統(tǒng)的成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)[3]。

采用 IR2110設(shè)計(jì)的單相驅(qū)動(dòng)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(guān)頻率。在 Vcc和 COM間，VDD和Vss間要連接兩個(gè)旁路電容[4]。

圖3 IR2110的典型應(yīng)用

4 光耦隔離

為了增強(qiáng)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(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路隔離，這樣可使控制電路的邏輯地和驅(qū)動(dòng)電路的邏輯地相互獨(dú)立。連接電路見圖4。

圖4 6N137典型連接

6N137 的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，信號(hào)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(dǎo)通，經(jīng)電流－電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個(gè)輸入端，與門的另一個(gè)輸入端為使能端，當(dāng)使能端為高時(shí)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(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)閥值或使能端為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是集電極開路的，可針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路[5]。

圖5 6N137結(jié)構(gòu)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(dǎo)通電流很大，對(duì)Vcc有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時(shí)，上升、下降沿的頻譜很寬，會(huì)造成相當(dāng)大的尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會(huì)使地線吸收不了這種噪聲，其峰－峰值可達(dá)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(yīng)盡量取大。在Vcc(腳8)和(腳5)之間必須接一個(gè)0.1 μF高頻特性良好的電容，如瓷介質(zhì)或鋰電容而且應(yīng)盡量放在腳5和腳8附近。這個(gè)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(guān)工作時(shí)對(duì)電源的沖擊。腳7是使能端，當(dāng)它在0－0.8 V時(shí)強(qiáng)制輸出為高(開路)；當(dāng)它在2.0 V—Vcc時(shí)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?yàn)殡娮杼?huì)使6N137耗電增大，加大對(duì)電源的沖擊使旁路電容無法吸收，而干擾整個(gè)模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地線上。

應(yīng)該特別說明的是芯片兩端的電源Vcc_5 V和 Vcc，還有兩個(gè)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(diǎn)電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

主要包括中點(diǎn)電位檢測(cè)和過流檢測(cè)。中點(diǎn)電位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)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(shí)又不增加系統(tǒng)功耗。中點(diǎn)電位是有正負(fù)的，但是DSP的AD轉(zhuǎn)換口允許輸入的電壓值為 0-5 V，所以必須進(jìn)行電平變換及限幅。具體電路如圖7所示，Uo為中點(diǎn)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(shí)際的中點(diǎn)電壓值進(jìn)行確定。

圖6 檢測(cè)電路圖

圖7 電平變換電路

6 結(jié)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(shù)，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(guān)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(guān)斷器件及電路. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.

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

[3] 設(shè)計(jì)指南. 功率驅(qū)動(dòng)集成電路中自舉元件的選擇.

[4] IR推出三相逆變器驅(qū)動(dòng)器集成電路. 2002.11.25

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