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时间:2018-12-04
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1、IGBT在逆变电路中的测试与仿真,IGBT逆变器缓冲定律IGBT在逆变电路中的设计与仿真: 1.前言 全侨式逆变电路应用广泛,国内外许多厂家的焊机都采用此主电路结构。全桥式电路的优点是输出功率较大,要求功率开关管耐压较低,便于选管。在硬开关侨式电路中,IGBT在高压下导通,在大电流下关断,处于强迫开关过程,功率器件IGBT能否正常可靠使用起着至关重要的作用。 驱动电路的作用就是将控制电路输出的PWM信号进行功率放大,满足驱动IGBT的要求。其性能直接关系到IGBT的开关速度和功耗、整机效率和可靠性
2、。随着开关工作频率的提高,驱动电路的优化设计更为重要。 2.硬开关全桥式电路工作过程分析 全桥式逆变主电路由功率开关管IGBT和中频变压器等主要元器件组成,如图1所示快速恢复二极管VD1~VD4与lGBT1~IGBT4反向并联、承受负载产生的反向电流以保护IGBT。IGBT1和IGBT4为一组,IGBT2和IGBT3为一组,每组IGBT同时导通与关断,当激励脉冲信号轮流驱动IGBT1、IGBT4和IGBT2、IGBT3时,逆变主电路把直流高压转换为20kHz的交流电压送到中频变压器,经降压整流滤波输
3、出。 图1全桥式逆变电路 全桥式逆变器的一大缺陷就是存在中频变压器偏磁问题,正常工作情况下,功率开关器件在工作前半周与后半周导通脉宽相等,饱和压降相等,前后半周交替通断,变压器磁心中没有剩磁。但是,如果IGBT驱动电路输出脉宽不对称或其他原因,就会产生正负半周不平衡问题,此时,变压器内的磁心会在某半周积累剩磁,出现“单向偏磁”现象,经过几个脉冲,就可以使变压器单向磁通达到饱和,变压器失去作用,等效成短路状态。这对于IGBT来说,极其危险,可能引发爆炸。 桥式电路的另一缺点是容易产生直通现象。直
4、通现象是指同桥臂的IGBT在前后半周导通区间出现重叠,主电路板路,巨大的加路电流瞬时通过IGBT。 针对上述两点不足,从驱动的角度出发、设计的驱动电路必须满足四路驱动的波形完全对称,严格限制最大工作脉宽,保证死区时间足够, 3.IGBT的开关过程动态分析 IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件,其驱动与MOSFET驱动相似,是电压控制器件,驱动功率小。但IGBT的栅极与发射极之间、栅极与集电极之间存在着结间电容,在它的射极回路中存在着漏电感,由于这些分布参数的影响,使得IGBT的驱动波形与理
5、想驱动波形产生较大的变化,并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。 IGBT开关等效电路如图2a所示。E是驱动信号源,R是驱动电路内阴,Rg为栅极串联电阻Cge、Cgc分别为栅极与发射极、集电极之间的寄生电容,Le是射极回路漏电感,用电感L1与二极管VD并联作为负载。 图2IGBT开通波形 IGBT开通波形见图2b。T0时刻,IGBT处于关断状态,栅极驱动电压开始上升,Uge的上升斜率上要由Rg和Cgc决定,上升较快。到t1时刻。Uge达到栅极门槛值(约4~5V),集电极电流开始上升。导致Ug
6、e波形偏离原有轨迹的因素主要有两个:一是发射极电路中分布电感Le的负反馈作用;二是栅极-集电极电容Cgc的密勒效应。t2时刻,Ic达到最大值,集射极电压Uce下降,同时Cgc放电,驱动电路电流增大,使得Rg和R上分压加大,也造成Uge下降。直到t3时刻,Uce降为0,Ic达到稳态值,Uge才以较快的上升率达到最大值。 IGBT关断波形如图2c所示。T0时刻栅极驱动电压开始下降,到t1时刻达到刚能维持Ic的水下,lGBT进入线性工作区,Uce开始上升,对Cgc、Cge充电,由于对两个寄生电容的耦合充电作
7、用,使得在t1~t2期间,Uge基本不变。在t3时刻,Uce上升结束,Uge和Ic以栅极-发射极间固有阻抗下降为0。 通过以上分析可知,对IGBT开通关断过程影响较大的因素是驱动电路的阻杭、Le和Cge。因此在设计驱动电路的时候,应选择Cgc较小的IGBT,并通过合理布线、选择合理电阻等方法改善开通与关断的过程。 4.IGBT的实用驱动电路设计和实验结果 对于硬开关触发方式的全桥逆变器,四路驱动电路完全相同,但是各路之间在电路上必须相互隔离,以防干扰或误触发四路驱动信号根据触发相位分为两组,相位相
8、反。图3为一路栅极驱动电路,整流桥B1、B2与电解电容C1、C2组成整流滤波电路,为驱动电路提供+25V和-15V直流驱动电压。光耦6N137的作用是实现控制电路与主电路之间的隔离,传递PWM信号。电阻R1与稳压管VS1组成PWM取样信号,电阻R2限制光耦输入电流。电阻R3、R4与稳压管VS3、VS4分别组成5.5V光耦电平限幅电路,分别为光耦和MOSFET管Q3提供驱动电平。Q3在光耦控制下,工作在开关状态。MOSFET管Q1、Q2组成推
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