基于并聯功率MOSFET的低電壓大電流逆變器研究

潘依波

【摘要】自從20世紀40年代逆變器誕生以來，逆變器經歷了飛速的發展。低電壓大電流逆變器憑具有輸出電壓低和輸出電流大等優勢，被廣泛應用在低壓大功率應用領域，因此本文對基于并聯功率MOSFET的低電壓大電流逆變器進行了軟硬件設計。

【關鍵詞】MOSFET；大電壓大電流；逆變器；并聯均流

【中圖分類號】TN91 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0129-01

基于逆變技術的逆變器是一種高效節能裝置，最典型的應用是利用逆變器的電動機調速節能，而現在應用到伺服系統中的逆變器主要是由GTR、MOSFET、IGBT及IPM組成，考慮到本文設計的低電壓大電流逆變器是應用在低壓范圍，因此選擇用MOSFET作為伺服驅動器的功率器件。

1、低電壓大電流逆變器的關鍵技術

（1）逆變器的主回路，采用導通壓降小的功率管來搭建系統各橋臂，如果采用導通壓降大的功率管來搭建系統各橋臂，將使逆變器輸出電壓等級變低。

（2）逆變器系統的控制方法，現有逆變器系統大多采用恒壓頻比控制或采用電流直接控制方法，這些系統主要有直流母線電壓利用率低，逆變器輸出電壓諧波含量大等缺點。而低壓大電流逆變器采用矢量控制策略，可以很好控制電機運行，電壓利用率高，逆變器調速平穩，矢量控制能夠更好的控制電流大小，從而避免逆變器過流現象。矢量控制策略將被廣泛應用于低壓大電流逆變器中。

2、低電壓大電流逆變器系統的整體結構

系統整體結構圖如圖1所示，系統由主電路、驅動電路、控制電路、電流檢測、電壓檢測、速度采樣、DC/DC電源模塊、鍵盤顯示、蓄電池組成。主電路為主回路電路和緩沖電路，驅動電路由IR2214驅動芯片加推拉式電路組成，由集成運放放大器構成的電流和電壓檢測電路。控制電路以TMS320F28335和CPLD為核心實現逆變器系統的控制功能。系統采用48V蓄電池供電。

3、低電壓大電流逆變器的軟硬件設計

3.1 逆變器主電路的設計

（1）逆變器主回路的設計

逆變器主回路由功率器件MOSFET并聯組成，在U^p、Uⁿ、V^p、Vⁿ、W^p、Wⁿ六路信號的驅動下，輸出交流電流或電壓。本文要求設計的逆變器額定輸出電流達到270A，最大輸出電流500A。本文選用IR公司的大功率MOSFET管搭建逆變器的各橋臂，單管最大電流可達180A。為了滿足課題對逆變器輸出電流的指標要求，采用并聯MOSFET的方式構造逆變器的各橋臂，逆變器每一橋臂由四路MOSFET并聯實現。由于電流大的原因，逆變器主回路發熱量大，所以主回路應具有很好的散熱陛，因主回路中存在寄生電容或電感，采用緩沖電路來減小寄生電容電感。

（2）緩沖電路的設計

由于本文設計的低電壓大電流逆變器，考慮到MOSFET管在開關過程中有電壓或電流的突變，將引起器件上電壓或電流的尖峰，嚴重情況下可導致功率管因過流或過壓損壞，通常采用緩沖吸收電路抑制開關過程的突變；由于緩沖電路中緩沖電容、緩沖電阻選擇不當也會引起功率管損壞，緩沖電路各參數的優化選取是非常必要的。器件開關時，只要尖峰電壓或電流不超過功率管的工作范圍就能夠安全工作。相對于電流過載而言，MOSFET管的電壓過載能力較低，緩沖電路主要是抑制器件的電壓突變。經分析MOSFET管在導通過程中，不會引起過流和過壓，而在關斷過程中，由于電路中存在寄生電感，會使器件產生很高的尖峰電壓，導致擊穿MOSFET管。RCD緩沖電路如圖2所示。Ds為緩沖二級管、Rs為緩沖電路中放電電阻、cs為電容。

（3）改善MOSFET并聯均流的方法

改善MOSFET并聯均流的方法主要有以下幾種：①器件參數的選擇。影響MOSFET均流的參數為：跨導G^m、閾值電壓V^Gs（th）、輸入電容C^m和通態電阻R^ds（on）。在選擇并聯元件時，盡量選取上述參數一致的元件并聯。②電路布局和熱耦合。電路布局的對稱，加強各并聯器件之間熱耦合，將并聯器件放置在同一塊散熱裝置上。③寄生振蕩。防止引線電感和輸入電容之間產生高頻振蕩，主回路上加緩沖電路。

3.2 驅動電路的設計

IR2214是半橋式柵極驅動Ic，具有完整的軟停機電機驅動保護，能夠探測欠飽和狀態或電源欠壓，并向控制器發送故障信息，軟關斷電流關閉避免了功率節點過高或過低，保護開關器件免遭損傷，還有專用引腳來設置開通、關斷和軟關閉開關時間，可以對MOSFET起到很好的保護功能，具有較高的柵極驅動能力（輸出電流2A，吸收電流3A）。但是其輸出電流為2A驅動能力不夠，不能驅動4個MOSFET并聯，要進行功率擴展，所以在輸出極接由三極管組成的推挽電路，其輸出電流可達6A。

3.3 驅動電路的設計

3.3.1 DSP及其外圍電路

（1）TMS320F28335 DSP處理器主要負責控制策略的執行，同時還實現了電流采樣、電壓檢測、欠壓保護、過壓保護、過流保護、過熱保護以及對RS232、CAN總線及JTAG等接口的通信功能。

（2）電源電路。TPS767D301為電源穩壓芯片，輸入電壓5V，輸出雙路電壓，分別為DSP提供1.9V和3.3V電壓，1.9V用于DSP核心電壓，3.3V用于DSP的I/O端口電壓。5V電壓由DC/DC隔離電源模塊提供。

（3）JTAG仿真口電路。JTAG端口可以對TMS320F28335進行仿真分析、DSP芯片的調試工作、通過PC機將應用程序下載控制板。

3.3.2 檢測電路及輸入輸出電路

（1）速度采樣電路。電機自帶增量式光電編碼器，能夠輸出一個兩相相位差是90°的正交編碼脈沖。兩相脈沖輸出接速度采樣電路，后接DSP的正交編碼脈沖電路，分別用來檢測牽引電機和提升電機的光電編碼盤產生的正交編碼脈沖，可以對正交編碼脈沖進行解碼和計數，測出電機的正反轉；通過對脈沖序列計數，利用所得的計數值，計算得到電機的角位移和速度。

（2）溫度檢測電路。采用貼片式的溫度傳感器，直接檢測功率板上的溫度。

（3）開關量輸入電路。輸入開關動作通過開關輸入電路給CPLD開關信號，共有4路開關輸入信號。

（4）主線圈驅動接觸器輸出。驅動接觸器輸出電路采用OC門電路。

3.4 低電壓大電流逆變器的軟件程序流程

主程序首先初始化外部各功能單元，給各控制狀態變量賦初值，然后進入死循環等待中斷。子程序包括電機定子電流和直流母線電壓檢測、轉子磁鏈觀測、轉矩調節器、磁鏈調節器、速度調節器、電壓解耦控制、坐標變換及反變換、SVPWM計算等功能。為了保證系統正常工作，還設計了相應的過流、過載、過壓、欠壓和過熱等保護程序。