一種實(shí)用的逆變橋功率開關(guān)管門極關(guān)斷箝位電路

摘　要：針對(duì)1KVA高頻在線式UPS主功率電路的設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際電路調(diào)試中所遇到的問題，提出了一種實(shí)用的電路——逆變橋功率開關(guān)管門極關(guān)斷箝位電路，它可以有效地抑制開關(guān)管門極的干擾，從而提高電路的可靠性；同時(shí)給出了部分電路的實(shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 
關(guān)鍵詞：逆變 抑制 可靠性 箝位

不間斷電源(Uninterrupted Power Supply，簡(jiǎn)稱UPS)是一種穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、純凈、不間斷的高質(zhì)量電源，隨著電子和電器設(shè)備對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求的不斷增高，它已經(jīng)成為許多重要場(chǎng)合必備的輔助電源。

1 逆變電路及其控制

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)在逆變器的控制中得到了廣泛應(yīng)用，正弦脈寬調(diào)制方式很多，在此不一一描述。本電路采用的是倍頻式的調(diào)制方式，下面簡(jiǎn)單加以介紹。

全橋逆變電路的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在倍頻式調(diào)制方式中，四個(gè)開關(guān)管的門極脈沖信號(hào)Vg1～Vg4的產(chǎn)生方法如圖2所示。四個(gè)開關(guān)管門極脈沖信號(hào)Vg1～Vg4與兩橋臂中點(diǎn)A、B間電壓VAB的波形也如圖2所示。

由圖2可以看出，在倍頻式調(diào)制方式中，A、B間電壓頻率是開關(guān)管工作頻率的兩倍，這種調(diào)制方式的好處在于在不增加開關(guān)管工作頻率的情況下，可以減小逆變器輸出濾波器的尺寸。它的缺點(diǎn)在于四個(gè)門極脈沖信號(hào)各不相同，提高了控制電路和脈沖發(fā)生電路的復(fù)雜性。本文提及的逆變電路開關(guān)管門極SPWM信號(hào)是由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)產(chǎn)生的，對(duì)于數(shù)字控制電路而言，倍頻式調(diào)制方式所帶來的電路復(fù)雜性可以忽略。

該電路采用IGBT作為功率開關(guān)管。由于IGBT寄生電容和線路寄生電感的存在，同一橋臂的開關(guān)管在開關(guān)工作時(shí)相互會(huì)產(chǎn)生干擾，這種干擾主要體現(xiàn)在開關(guān)管門極上。以上管開通對(duì)下管門極產(chǎn)生的干擾為例，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路及其等效電路如圖3所示。

實(shí)際電路中，虛線框部分是IR2110的輸出推挽電路，RS、RP分別是T2門極串、并聯(lián)電阻，Zg是門極限幅穩(wěn)壓管。當(dāng)上管T1開通時(shí)，下管T2門極信號(hào)必然為低電平，即M2導(dǎo)通，M2兩端可等效為一個(gè)電阻RM，這個(gè)電阻與RS、RP一起等效為電阻Rg。

Rg=(RM+RS)//RP≈RS(RM<S<P)

Zg兩端相當(dāng)于開路。電容Cge和Cgc都是T2的寄生電容。電感L是功率電路線路的等效寄生電感，Lg是驅(qū)動(dòng)電路的線路電感。

在T1開通前，由于互補(bǔ)門極信號(hào)死區(qū)的存在，T1、T2均處于關(guān)斷狀態(tài)，橋臂中點(diǎn)電壓是高壓母線電壓VBUS的一半。當(dāng)T1開通時(shí)，中點(diǎn)電壓立刻上升，很高的dv/dt使L和T2的寄生電容發(fā)生振蕩，由于Lg和Rg的存在且Cge的阻抗也并不足夠低，在T2門極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖刺。這個(gè)電壓尖刺幅值隨母線電壓VBUS和負(fù)載電流的增大而增大，可能達(dá)到足以導(dǎo)致T2瞬間誤導(dǎo)通的幅值，這時(shí)橋臂就會(huì)形成直通，造成電路燒毀。同樣地，當(dāng)T2開通時(shí)，T1的門極也會(huì)有電壓尖刺產(chǎn)生。

通過減小RS和改善電路布線可以使這個(gè)電壓尖刺有所降低，但均不能達(dá)到可靠防止橋臂直通的要求。

2 門極關(guān)斷箝位電路

針對(duì)前面的分析，本文將提出一種門極關(guān)斷箝位電路，通過在開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路中附加這種電路，可以有效地降低上述門極尖刺。帶有門極關(guān)斷箝位電路的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

門極關(guān)斷箝位電路由 MOSFET 管MC1和MC2、MC1門極下拉電阻RC1和MC2門極上拉電阻RC2組成。實(shí)際上該電路是由 MOSFET 構(gòu)成的兩級(jí)反相器。當(dāng)MC1門極為高電平時(shí)，MC1導(dǎo)通，MC2因門極為低電平而關(guān)斷，不影響功率開關(guān)管的正常導(dǎo)通；當(dāng)MC1門極為低電平時(shí)，MC1關(guān)斷，MC2因門極為高電平而飽和導(dǎo)通，從而在功率開關(guān)管的門極形成了一個(gè)極低阻抗的通路，將功率開關(guān)管的門極電壓箝位在0V，基本上消除了上文中提到的電壓尖刺。

在使用這個(gè)電路時(shí)，要注意使MC2 D、S與功率開關(guān)管G、E間的連線盡量短，以最大限度地降低功率開關(guān)管門極寄生電感和電阻。在電路板的排布上，MC2要盡量靠近功率開關(guān)管，而MC1、RC1和RC2卻不必太靠近MC2，這樣既可以發(fā)揮該電路的作用，也不至于給電路板的排布帶來很大困難。

用雙極型晶體管(如8050)同樣可以實(shí)現(xiàn)上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅(qū)動(dòng)，其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷，同時(shí)防止其本身受到干擾，基極同樣需要并聯(lián)下拉電阻，這樣就使電路更加復(fù)雜。同時(shí)，要維持雙極型晶體管飽和導(dǎo)通，其基極就必須從電源抽取電流，在通常的應(yīng)用場(chǎng)合這并無太大影響，但在自舉驅(qū)動(dòng)并且是SPWM的應(yīng)用場(chǎng)合，這些抽流會(huì)大大加重自舉電容的負(fù)擔(dān)，容易使自舉電容上的電壓過低而影響電路的正常工作。因此選用MOSFET來構(gòu)成上述門極關(guān)斷箝位電路。

圖5是在沒有門極關(guān)斷箝位電路的情況下，直流母線電壓為100V時(shí)T2門極信號(hào)的波形?？梢钥吹皆陂T極有一個(gè)電壓尖刺，這個(gè)尖刺與門極脈沖的時(shí)間間隔剛好等于死區(qū)時(shí)間，由此可以證明它是在同一橋臂另一開關(guān)管開通時(shí)產(chǎn)生的。

圖6是在有門極關(guān)斷箝位電路的情況下，直流母線電壓為400V時(shí)T2門極信號(hào)的波形。此時(shí)電壓尖刺基本消除。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路確實(shí)可以抑制和消除干擾，有一定的使用價(jià)值，可以提高電路的可靠性。

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