專利名稱：改進(jìn)型高可靠場效應(yīng)管逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電氣領(lǐng)域中的無源逆變技術(shù)。廣泛應(yīng)用于新能源系統(tǒng)、不停電電源、交流變頻調(diào)速等場合。
逆變器是當(dāng)代電氣領(lǐng)域中最富有生命力的技術(shù)。在傳統(tǒng)的逆變器中，為防止主電路中同一橋臂的兩個(gè)功率器件“直通”(即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通，引起短路)，電路中設(shè)置了一種叫做“先關(guān)斷后導(dǎo)通”的邏輯控制，另加上復(fù)雜的推動單元。其基本的控制思路是同一橋臂的兩個(gè)功率管任何時(shí)刻都不允許同時(shí)導(dǎo)通。要開通某一功率管，必須先關(guān)斷同一橋臂上的另外一只功率管，否則就造成“直通”損壞功率管。在常規(guī)的變頻電路中，為了防止主電路的“直通”短路，還要加上一種延時(shí)功能－－在關(guān)斷一個(gè)功率管之后，還要經(jīng)過一段延時(shí)才允許同一橋臂上的另一只功率管導(dǎo)通。由于逆變器的上橋臂各功率管(如圖3中T4、T6、T2)柵極之間的電位變化大，因此常規(guī)電路中上橋臂各功率管的柵控電源都使用專用隔離電源、光電耦合器及附加的陡化電路。這樣，不僅使電路變得復(fù)雜，而且降低了逆變器的可靠性。國內(nèi)外現(xiàn)有生產(chǎn)廠家是靠電子器件的高可靠性來保證逆變器的可靠性的，但成本很高。
本實(shí)用新型的目的在于利用場效應(yīng)管及其派生器件的本征特點(diǎn)，用簡單的方法實(shí)現(xiàn)“先關(guān)斷后導(dǎo)通”的邏輯控制。并恰當(dāng)?shù)剡x擇電路參數(shù)，消除常規(guī)電路中的“過電壓”、“過電流”現(xiàn)象。大幅度地簡化變頻電路，提高其可靠性，降低生產(chǎn)成本。
本實(shí)用新型是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型的逆變器是利用功率場效應(yīng)管及其派生器件(IGBT)等設(shè)計(jì)成的簡化逆變器。其技術(shù)實(shí)質(zhì)是利用功率場效應(yīng)管的柵極與源極之間的寄生結(jié)電容及控制功率小、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，使用少量的電子元器件即能構(gòu)成高可靠性的逆變器。即用功率場效應(yīng)管及其派生器件的柵極和源極之間的寄生結(jié)電容作為逆變器的先關(guān)斷后導(dǎo)通的延時(shí)電容，以大幅度地簡化逆變電路。用小功率場效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)逆變電路中同一橋臂的兩個(gè)主功率管互鎖。主功率管柵極、源極之間的寄生結(jié)電容的充電電阻Ri大于其放電電阻Ri′，以起到消除過電壓、過電流的作用。具體電路見

圖1，其特征是逆變主電路下橋臂功率場效應(yīng)管的柵控信號源Uin中串聯(lián)兩只電阻(圖1)R4、R5，R5兩端并聯(lián)二極管D1，二極管的導(dǎo)通方向背向功率管的柵極。且滿足以下關(guān)系R5≥R4。
逆變器上橋功率管的柵控信號由小功率場效應(yīng)管T7(圖1)將對應(yīng)的下橋臂柵控信號Uin倒相后提供，其特征是T7的柵控信號與下橋臂的柵控信號共用一個(gè)信號Uin。上橋臂功率管的柵極串聯(lián)兩只電阻R1、R2后接?xùn)趴仉娫碪2；兩電阻的中點(diǎn)N接小功率場效應(yīng)管T7的漏極，且R2＞R1。
如圖4所示，功率場效應(yīng)管及派生器件其柵極與源極之間有一個(gè)寄生的結(jié)電容Co，該寄生結(jié)電容Co對開通與關(guān)斷有較大影響。在開關(guān)狀態(tài)使用時(shí)，由于觸發(fā)信號源的輸出電阻Ri與寄生結(jié)電容Co構(gòu)成了一個(gè)RiCo的時(shí)間常數(shù)。當(dāng)外加?xùn)趴匦盘枮檎龝r(shí)，電容Co兩端電壓(亦即柵極電壓)接指數(shù)函數(shù)上升，只有當(dāng)柵極電壓達(dá)到了開啟電壓之后，功率管才開始導(dǎo)通。此后，隨著柵壓的升高，功率管從放大區(qū)進(jìn)入飽和導(dǎo)通。功率管在放大區(qū)功耗較大，應(yīng)當(dāng)盡量減少處于放大區(qū)的時(shí)間。因此，一般資料上都強(qiáng)調(diào)所謂“強(qiáng)觸發(fā)”，即盡可能地減小觸發(fā)器的輸出電阻，從而減小充放電時(shí)間常數(shù)。強(qiáng)觸發(fā)對提高功率管的開關(guān)速度，減小開關(guān)耗起到了很好的作用，但也帶來了兩個(gè)方面的缺點(diǎn)一是增加了電路的復(fù)雜性，降低了電路的可靠性；二是由于強(qiáng)觸發(fā)而提高了功率管的開關(guān)速度，由此帶來較大的主電路di／dt和du／dt，從而產(chǎn)生“過電壓”和“過電流”。為了減小“過電壓”和“過電流”，又不得不采取相應(yīng)的保護(hù)措施，更增加了電路的復(fù)雜性。
本實(shí)用新型巧妙地利用功率場效應(yīng)管的寄生結(jié)電容Co，并恰當(dāng)?shù)剡x擇寄生結(jié)電容的放電電阻Ri′，從而使得寄生結(jié)電容的放電時(shí)間常數(shù)較小，使功率管能較快地關(guān)斷。恰當(dāng)?shù)剡x擇寄生結(jié)電容的充電電阻Ri，使寄生電容的充電時(shí)間常數(shù)較大。當(dāng)觸發(fā)信號為正時(shí)，由于充電時(shí)間常數(shù)的存在，要等一段時(shí)間，使寄生結(jié)電容Co上的電壓(柵壓)達(dá)到功率管的開啟電壓才導(dǎo)通。這樣就保證了逆變器同一橋臂的兩個(gè)功率管有一段交接時(shí)間，在這一段交接時(shí)間內(nèi)兩功率管都不導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了先關(guān)斷后導(dǎo)通的要求。
經(jīng)認(rèn)真分析發(fā)現(xiàn)功率管每開通一次所消耗的能量與觸發(fā)功率有關(guān)。但功率管的開關(guān)耗除與觸發(fā)功率有關(guān)外，更重要的是開關(guān)耗與開關(guān)頻率成正比。功率場效應(yīng)管的頻率應(yīng)用范圍甚廣，可以用到幾百千赫。在工頻應(yīng)用時(shí)，由于頻率甚低，因此開關(guān)耗微乎其微；省去了“強(qiáng)觸發(fā)”不會引起主電路的效率降低。這樣省掉了“強(qiáng)觸發(fā)”，也就去除了主電路的“過電壓”、“過電流”的弊病；可以省去電路中的過壓、過流保護(hù)，更加提高了電路的可靠性。獲得了一舉數(shù)得的功效。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明圖1是本實(shí)用新型的單相逆變器電路圖圖2是本實(shí)用新型外加輔助柵控電源的單相逆變器電路圖圖3是本實(shí)用新型用于三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)電路圖圖4是功率場效應(yīng)管寄生結(jié)電容示意圖。
以圖3為例，圖中E是直流電源。C1是電源濾波電容，C2、C3是輔助柵極電源濾波電容。T1、T2、T3、T4、T5、T6是逆變器的主功率場效應(yīng)管，T7、T8、T9是輔助換向小功率場效應(yīng)管。D1、D2是輔助柵控電源整流管，D3、D4、D5是先關(guān)斷后導(dǎo)通二極管。DW1、DW2、DW3、DW4、DW5、DW6是保護(hù)場效應(yīng)管用穩(wěn)壓管。Y代表壓控振蕩器。H代表環(huán)形分配器。M代表脈寬調(diào)制器。A、B、C表示逆變器的輸出端，亦即用于交流調(diào)速時(shí)，三相異步電動機(jī)繞組的進(jìn)線端。Ri是寄生結(jié)電容的充電電阻，Ri′是寄生結(jié)電容的放電電阻。上橋臂，Ri≈R4＋R10≈R6＋R11≈R2＋R12，Ri′≈R4≈R6≈R2；下橋臂，Ri≈R1＋R19≈R3＋R20≈R5＋R21，Ri′≈R1≈R3≈R5。
實(shí)施例1圖1所示，是本實(shí)用新型的最簡單的單相逆變器，圖中的功率場效應(yīng)管T2由輸入的變頻信號Uin控制通斷。變頻信號Uin是脈寬為180°的方波，當(dāng)輸入信號為零時(shí)，輔助小功率場效應(yīng)管T7及主功率場效應(yīng)管T2關(guān)斷；此時(shí)上橋主功率場效應(yīng)管T1由電壓U2經(jīng)電阻R1、R2提供柵極電壓而飽和導(dǎo)通。當(dāng)輸入變頻信號Uin由零變正時(shí)，輔助小功率場效應(yīng)管T7首先導(dǎo)通(小功率場效應(yīng)管反應(yīng)速度快)。由于T7的導(dǎo)通，N點(diǎn)的電位迅速由E降到零。因?yàn)镽1很小(幾百歐以下)，致使上橋臂T1管的柵源寄生電容Co迅速放電，即T1的柵極電壓迅速下降而快速關(guān)斷；與此同時(shí)，盡管變頻信號Uin雖已為正，但是T2管的柵極串聯(lián)電阻R4＋R5的阻值較大，因此T2管的柵源寄生電容的充電時(shí)間常數(shù)也稍大。這樣，就保證了在上橋臂功率管T1關(guān)斷之后，再待到下橋臂功率管T2的寄生結(jié)電容Co充電到開啟電壓之后才開通；小功率場效應(yīng)管T7起到了上下兩場效應(yīng)管T1、T2的互鎖作用。這樣，就實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的“先關(guān)斷后導(dǎo)通”的邏輯控制。試驗(yàn)證明，在幾十千赫的范圍內(nèi)應(yīng)用時(shí)，可以將功率管的開關(guān)耗限制在允許的范圍內(nèi)。
圖1中上橋臂功率場效應(yīng)管T1的柵控電源U2由自舉電壓提供。即柵控電源是由主電源E、整流管D2和濾波電容C3等元件構(gòu)成半波整流電路。其過程如下當(dāng)下橋臂功率場效應(yīng)管T2導(dǎo)通時(shí)，正電源E經(jīng)二極管D2向電容C3充電，C3兩端電壓U2近似等于電源電壓E，并以此作為上橋臂功率管T1的柵控電源。電壓U2遠(yuǎn)高于T1管的允許柵極電壓，為保證柵極不過壓，在T1管的柵源極之間并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管DW1。由于柵控電源U2較高，T1管的寄生結(jié)電容Co充電很快，為保證充電延時(shí)，其中的充電電阻R2特意取得偏大，并按下式計(jì)算R2＝R5·E／Eg。式中E是主電路最高直流電源電壓，Eg是功率管T1的最高柵極電壓。按此式算得的R2，使T1、T2兩管的導(dǎo)通延時(shí)相接近。此時(shí)R2中的功耗也較小。
在電壓較高的逆變器中，為減小功耗，可采用單獨(dú)的柵控電源。即本實(shí)用新型的實(shí)施例2，如圖2所示。
實(shí)施例3圖3是適用于三相異步電動機(jī)調(diào)速用的逆變器原理電路圖。場效應(yīng)管T1、T2、T3、T4、T5、T6是逆變器的主功率管，T7、T8、T9是輔助換向小功率場效應(yīng)管。二管極D1、D2和電阻R13及電容C2、C3組成自生的上橋臂功率管T2、T4、T6共用柵控電源。該柵控電源的產(chǎn)生過程如下在主場效應(yīng)管T1導(dǎo)通時(shí)，正電源E經(jīng)D1、R13、T1向電容器C3充電。主管T4導(dǎo)通時(shí)，電容器C3的電壓經(jīng)D2、T4、R13向C2充電。幾個(gè)周期后，C2兩端電壓升至電源電壓E，并以此作為上橋臂功率場效應(yīng)管共用的柵控電源。
直流電源E可由交流整流獲得。為了提高整流電路的功率因數(shù)，可用二極管整流，這樣直流電源E為基本不變的量。為實(shí)現(xiàn)交流異步電動機(jī)的恒磁通控制(即f／v＝常數(shù))，設(shè)置了壓控振蕩器(Y)、環(huán)形分配器(H)和脈寬調(diào)制器(M)等。當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器R18在零位時(shí)，壓控振蕩器(Y)停振，脈寬調(diào)制器(M)的輸出為全零態(tài)。下橋臂功率場效應(yīng)管T1、T3、T5及輔助小場效應(yīng)管T7、T8、T9都處在關(guān)斷狀態(tài)。與此同時(shí)，上橋臂的功率場效應(yīng)管T2、T4、T6都處在導(dǎo)通狀態(tài)。但由于下橋臂的場效應(yīng)管都關(guān)斷，整個(gè)主電路全斷路，逆變器的輸出端A、B、C(即異步電動機(jī)的三相繞組的進(jìn)線端)上無電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器R18離開零位時(shí)，壓控振蕩器(Y)則根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定的大小而成正比地改變其輸出頻率f。。環(huán)形分配器(H)將壓控振蕩器(Y)輸出的頻率f。分離成三相互差120°的方波信號，方波信號為180°為正，180°為零。該180°的方 波與脈寬調(diào)制波與門后來控制相應(yīng)的場效應(yīng)管T1、T3、T5、T7、T8、T9。脈寬調(diào)制器(M)的占空比與其輸入電壓成正比。恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)壓控振蕩器(Y)與脈寬調(diào)制器(M)的電路參數(shù)，當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，脈寬調(diào)制器(M)的輸出占空比為1。這樣，在變速過程中電機(jī)繞組上的電壓與頻率就能保持比例的關(guān)系(即f／v＝常數(shù))，實(shí)現(xiàn)了三相變頻器對三相異步電動機(jī)的恒磁場控制。
以上幾種例舉電路是用場效應(yīng)管的逆變器，但該實(shí)用新型亦實(shí)用于與場效應(yīng)管類同的絕緣柵功率管(例IGBT等)逆變器。
權(quán)利要求1.一種由功率場效應(yīng)管(IGBT)等電子元件構(gòu)成的逆變器，其特征是a.主電路下橋臂功率管的柵控信號源Uin中串聯(lián)兩只電阻R4、R5，其中R5兩端并聯(lián)二極管D1，二極管的導(dǎo)通方向背向功率管的柵極，電阻R5≥R4；b.上橋臂功率管的柵控信號是由小功率場效應(yīng)管T7將對應(yīng)的下橋臂柵控信號Uin倒相后提供。上橋臂功率管的柵極串聯(lián)兩只電阻R1、R2后接?xùn)趴仉娫碪2，兩電阻的中點(diǎn)N接小功率場效應(yīng)管T7的漏極，其中R2＞R1。
2.按權(quán)利要求1所述的逆變器，其特征在于上橋臂功率管的柵控電源U2是由主電源E、整流管D2和濾波電容C3等半波整流電路構(gòu)成。
專利摘要“改進(jìn)型高可靠功率場效應(yīng)管逆變器”涉及電氣領(lǐng)域中的無源逆變技術(shù)，廣泛用于不停電電源、交流變頻調(diào)速等場合。其主要特征是在功率管的柵極串聯(lián)兩只電阻后再接至觸發(fā)信號源，在其中的一個(gè)電阻上并聯(lián)二極管，二極管導(dǎo)通方向背向柵極，由此實(shí)現(xiàn)“先關(guān)斷后導(dǎo)通”的邏輯控制，并減少了主電路的過電壓和過電流。簡化了電路又提高了可靠性。
文檔編號H02M7/537GK2143385SQ91228970
公開日1993年10月6日 申請日期1991年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月26日
發(fā)明者戰(zhàn)福忠, 余世杰, 姜躍煒 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)