電力電子技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用

張 磊

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著變頻調(diào)速的不斷進(jìn)步與發(fā)展，目前出現(xiàn)了一些以新控制策略和電路拓?fù)錇橹鞯淖冾l器。不僅可以實現(xiàn)零開關(guān)損耗，而且能夠?qū)㈤_關(guān)頻率的數(shù)量級提升到幾萬赫茲。作為流控器件的IGBT，它的工作性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了MOSFET等壓控器件。不僅具有優(yōu)越的通態(tài)特性，而且具有較寬的安全工作區(qū)SOA，同時具有高峰值的電流容量，便于系統(tǒng)的驅(qū)動。由于IGBT具有的優(yōu)良特性，它在電動鉆機變頻器上得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。因此，針對IGBT技術(shù)的特性，探討IGBT變頻器在電動鉆機上的幾項重要應(yīng)用。

1 IGBT技術(shù)的特性

1.1 IGBT的關(guān)斷特性

IGBT的關(guān)斷特性并非直接受MOSFET關(guān)斷的影響，而主要是由少數(shù)載流子的復(fù)合機理決定。其中，N型外延層的少數(shù)載流子壽命決定了關(guān)斷時間的長短。開關(guān)時間的縮短不可以利用外加驅(qū)動電流的技術(shù)實現(xiàn)，主要原因是沒有進(jìn)入基區(qū)的引出端。關(guān)斷時，由于基區(qū)中存儲電荷的作用，會導(dǎo)致IGBT的電流波形出現(xiàn)拖尾狀況而出現(xiàn)死區(qū)。為了導(dǎo)通出現(xiàn)的死區(qū)，需要在板橋線路中增加兩個器件。為了加速復(fù)合過程，一般要使用縮短少子壽命技術(shù)或是增加一個收集少量N+緩沖層的方法，但往往又會產(chǎn)生電壓降變大和部分PNP增益減小等問題。

1.2 能夠承受一定電壓和電流的能力

IGBT的安全工作區(qū)SOA描述晶體管分為正常SOA和短路SOA。這兩種SOA都可以承受一定的電壓和電流。其中，短路SOA承受的電壓和電壓額度較大，在額定電壓工作下可以承受2倍的額定電壓值。在短路狀態(tài)，電流會因為柵極電壓和跨導(dǎo)的限制達(dá)到10倍數(shù)值的連續(xù)額定值，負(fù)荷電流軌跡穩(wěn)定在SOA范圍內(nèi)[1]。IGBT屬于少子器件，在受到高額度的電壓和電流時，有產(chǎn)生不均勻管芯電流分布的幾率。一旦超過安全工作區(qū)SOA的安全值，就會造成部分器件失效。所以，在承受高電壓和電流的過程中要保證電流處在安全承受范圍內(nèi)。

電流分布受電流的變化率di/dt的影響，安全工作區(qū)SOA又可分為反向偏置SOA和正向偏置SOA。其中，反向偏置SOA用于感性負(fù)載的判斷和短路條件下的關(guān)斷；正向偏置SOA用于正常和短路時的關(guān)斷。

1.3 具有智能模塊

IGBT是一種電流密度較大的電壓驅(qū)動元件，本質(zhì)上適應(yīng)于保護(hù)電路和驅(qū)動電路整體小型化。它的保護(hù)模塊是一套簡單的整體性操作，操作過程為“敏感IGBT檢測過電流→門壓降低→斷路→斷路保持→異常診斷輸出的短路保護(hù)”。

IGBT的門極上標(biāo)有+15 V/-2 V電壓，這是由于IGBT的驅(qū)動IC由15 V電壓和反偏的2 V電壓（總17 V電源電壓）支持，其中反偏電壓可以通過抑制噪聲降低開關(guān)的損耗。此外，高速、靈敏的IGBT還可以很大程度上降低開關(guān)時間以進(jìn)行高速運作。另外，一些容量較小的元件可以通過使用橫向結(jié)構(gòu)的IGBT智能模塊，采用感應(yīng)隔離方式提高耐高壓的功能特性[2]。

1.4 IGBT的特殊用途

基于IGBT技術(shù)能減少噪聲和降低開關(guān)損耗的特性，開發(fā)了軟開關(guān)諧振形功率變換，主要應(yīng)用于電子測距的高壓電源。電流諧振主要應(yīng)用于工業(yè)感應(yīng)加熱裝置。IGBT可以提高開關(guān)的頻率，所以可以不考慮負(fù)載短路的情況，但一定要使用自關(guān)斷元件，同時使用飽和電壓較低的元件。

2 IGBT在變頻器上的應(yīng)用

2.1 整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

變頻器主要包括整流、濾波、逆變、隔離以及負(fù)載共5個模塊電路。其中，整流、濾波以及逆變是主要的功能模塊電路，隔離和負(fù)載是工作電路。在變頻器外圍設(shè)計一個控制保護(hù)電路，可以保證變頻器的正常工作。變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

變頻器電路工作時，直流電路需要利用IGBT的觸發(fā)角調(diào)節(jié)整流輸出直流電壓，從而間接調(diào)整逆變器的工作頻率。另外，可以利用逆變器調(diào)整與控制調(diào)制波的電壓與頻率，并根據(jù)電路信號記錄下來的仿真波形，分析逆變器輸出波形受到調(diào)制波頻率大小的影響[3]。逆變器相電壓仿真波形，如圖2所示。

圖1 變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖2 逆變器相電壓仿真波形

2.2 整流電路和逆變電路的設(shè)計與仿真

IGBT器件具有較強的整流功能，能夠?qū)⒆冾l器中三相工頻電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動直流電壓，然后經(jīng)其他電路元器件處理后變成逆變電路的直流電源。整流電路原理如圖3所示。

圖3 整流電路原理圖

根據(jù)圖3可知，元件T的功能和隔離電路的功能相同，一旦線路中出現(xiàn)問題和故障（如線路中電流過大），F(xiàn)U可以快速熔斷，從而起到保護(hù)整個電路的作用。進(jìn)線電抗L主要起到隔絕不正常產(chǎn)生的諧波反饋信號，同時也可以限制尖峰電壓信號與異常幅值電流的相互作用，本質(zhì)上起到保護(hù)器的作用。Rs和Ch分別起到限流和高頻濾波的作用。電容Ch可以將逆變電路中產(chǎn)生的大量無功電流反饋至電網(wǎng)，從而在一定程度上防止器件因過熱導(dǎo)致不能工作的問題。T1～T6這6個晶匣管相當(dāng)于三相整流橋的橋臂。電阻器和C4～C9則充當(dāng)緩沖區(qū)的作用，在一定程度上提高了電路的運行效率和容錯率。KM3和R10組成放通電路，且和KM1、KM2共同組成了閉鎖。當(dāng)電路出現(xiàn)任何故障導(dǎo)致電機停止運行時，該閉鎖裝置可以釋放之前電容和電感儲存的能量，并沿著電路重新傳輸至電網(wǎng)，避免發(fā)生危險事故。對改進(jìn)后基于IGBT的整流電路進(jìn)行仿真，得到的輸出電壓和波形圖如圖4所示。根據(jù)結(jié)果可知，該整流電路可調(diào)整精確功率，且該整流電路輸出的波形Ud恰好是三相電壓波形的包絡(luò)線，而理論計算得出的波形基本與仿真模擬得出的結(jié)論一致[4]。

圖4 整流電路的仿真模擬波形圖

對IGBT的逆變電路而言，需要利用12個IGBT器件進(jìn)行全橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時保留6個由二極管VDg組成帶中性點的鉗位電路結(jié)構(gòu)。同時，還有一個由LS、DS以及CS等元件構(gòu)成的保護(hù)電路裝置，在一定程度上有效降低了因短路電流上升速度過快而帶來的負(fù)面影響。

3 結(jié) 論

隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，電力電子器件取得了很大的發(fā)展空間。特別是IGBT技術(shù)，具有優(yōu)良的通態(tài)特性和開關(guān)特性，目前已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的電機變頻器。基于此，本文簡單介紹了IGBT的特點，從變頻器整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計、整流電路和逆變電路的設(shè)計與仿真兩方面，探討了IGBT在變頻器中的應(yīng)用，并利用IGBT整流技術(shù)優(yōu)化變頻器的整流電路和逆變電路，使得變頻器能夠在更高電壓和電容量的場合穩(wěn)定工作。