1 引言
目前，一些設(shè)備仍沿用傳統(tǒng)的400Hz 變頻機(jī)組供電，具有笨重、效率低、噪聲大，動(dòng)態(tài)品質(zhì)差、輸出波形差等缺點(diǎn)。用靜止變頻電源取代它是發(fā)展的必然趨勢(shì)。早期的晶閘管靜止變頻電源雖然克服了變頻機(jī)組的許多缺點(diǎn)，但晶閘管的關(guān)斷依賴負(fù)載或附加的關(guān)斷電路，控制復(fù)雜，動(dòng)態(tài)性能不理想，在技術(shù)性能上很難有新的突破。本文提出的變頻電源，從根本上克服了上述弊端，是一種性能優(yōu)良的靜止變頻電源。
2 主電路和系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
2. 1 變頻電源的主電路結(jié)構(gòu)
主電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。J S 為軟啟動(dòng)控制，避免上電時(shí)浪涌電流對(duì)整流模塊的沖擊。
采用工業(yè)上比較流行的SPWM 控制策略。由于載波頻率的高頻化，SPWM 脈沖波的第一組諧波中心向高頻端遷移，距基波頻率甚遠(yuǎn)，如圖2 所示。這就使得輸出濾波網(wǎng)絡(luò)得以小型輕量化，動(dòng)態(tài)品質(zhì)也得以改善。
輸出濾波網(wǎng)絡(luò)采用常K型兩元件低通濾波器[5 ] 。濾波元件L 、C 的參數(shù)按下式選�。�
L = R/ (πf c) (1)
C = 1/ (πf c R) (2)
式中 f c ———通帶的高截止頻率 R ———濾波器的特性阻抗
2. 2 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3 所示。電流環(huán)作為輸出電壓控制環(huán)的輔助環(huán)，能成功地限制逆變器的輸出電流，以防止逆變器過(guò)載，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
圖中 Uge ———電壓給定 Upc ———偏磁校正 Igd ———電流給定 Uxl ———限流給定
3 擎住效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)[1 ，2 ]
3. 1 擎住效應(yīng)
IGBT 由四層PNPN 組成，內(nèi)部形成一個(gè)寄生晶閘管，有可能由于再生作用而發(fā)生擎住。IGBT的擎住效應(yīng)有兩種模型：穩(wěn)定導(dǎo)通時(shí)的靜態(tài)擎住及關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)擎住。
3. 2 靜態(tài)擎住效應(yīng)
IGBT的等效電路如圖4a 所示。α1 、α2 分別是VT1 和VT2 的電流放大系數(shù)且為電壓電流的函數(shù)。如果α1 增大，通過(guò)P 基區(qū)的空穴電流Ih 也增大，當(dāng)Up = Ih Rp > 0. 7V 時(shí)，NPN 管開通，VT1 、VT2 發(fā)生正反饋。已知當(dāng)α1 + α2 = 1時(shí)，IGBT被擎住，柵極失去控制作用。IGBT 將發(fā)生破壞性損壞。
3. 3 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)
考慮結(jié)電容的等效電路如圖4b 所示， IGBT在關(guān)斷時(shí)J2 結(jié)因反偏幾乎承受著全部高壓。結(jié)電容Cj2影響最大，僅考慮Cj2的影響。重加d v/ d t 使Cj2產(chǎn)生位移電流iDis ：
iDis∝d v/ d t (3)
擎住發(fā)生時(shí)有如下關(guān)系：
此時(shí)應(yīng)為動(dòng)態(tài)α，若不考慮α隨電壓的變化，僅考慮電流對(duì)其影響，則動(dòng)態(tài)αs 定義為：
由上式可看出，擎住發(fā)生時(shí)αs1 + αs2 = 1。此時(shí)與靜態(tài)的α1 、α2 無(wú)關(guān)。管電流隨iDis位移電流迅猛增加，關(guān)斷時(shí)重加d v/ d t 最為有害。
3. 4 擎住效應(yīng)的防護(hù)
由上述可知，IGBT 的擎住效應(yīng)是由器件的特殊結(jié)構(gòu)決定的。應(yīng)為IGBT 設(shè)計(jì)良好的周邊電路，抑制擎住的發(fā)生，主要從以下幾方面考慮。
(1) 避免IGBT超過(guò)熱極限
IGBT的擎住電流與溫度有關(guān)，參見圖5。散熱器的溫度以不超過(guò)70 ℃為宜。因溫度升高后，NPN 管開通的偏置電壓不再是0. 7V ，而是隨溫度的升高而下降；p + 區(qū)的橫向電阻RP 隨溫度升高而增大，二者的影響均促使擎住電流下降。
(2) 選擇合理的驅(qū)動(dòng)條件
IGBT的動(dòng)靜態(tài)特性與門極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)。正反向驅(qū)動(dòng)電壓±Uge 、門極電阻Rg 對(duì)IGBT的飽和壓降、開關(guān)損耗、短路耐量等都有不同程度影響。經(jīng)驗(yàn)表明，正向驅(qū)動(dòng)以13V ≤Ug ≤15V ，反向驅(qū)動(dòng)以- 7V ≤- Uge ≤- 5V 為宜。在開關(guān)損耗允許的情況下，Rge 應(yīng)適當(dāng)選大。
(3) 利用緩沖電路限制過(guò)壓
IGBT感性關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓一方面可能使IGBT的關(guān)斷軌跡位于安全工作區(qū)之外，另一方面使管耗增加，溫度升高對(duì)抑制擎住不利。必須使用緩沖電路消除這種開關(guān)浪涌。緩沖電路采用阻止放電型結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。各參數(shù)按下列關(guān)系選�。�
式中 Ls ———引線電感，以1μH/ m計(jì) Io ———IGBT最大脈沖電流值 K ———額定減小系數(shù)，非重復(fù)時(shí)K= 1 ，重復(fù)時(shí)K = 0. 8
Ucep ———集射間的峰值電壓，Ucep = Ud + UFM +Lsd i/ d Ud ———直流高壓 UFM ———二極管暫態(tài)正向壓降，1200V 級(jí)取40～60V
實(shí)測(cè)電壓尖峰ΔU = Ucep - Ud <100V ，緩沖效果比較明顯。
(4) 過(guò)流或短路故障時(shí)應(yīng)使IGBT 緩關(guān)斷
故障情況下， 由于關(guān)斷時(shí)隨著MOSFET 溝道的減小， 電流會(huì)流過(guò)Rp ，使Up 升高， IGBT 可能會(huì)進(jìn)入擎住。而簡(jiǎn)單快速地關(guān)斷IGBT ，會(huì)產(chǎn)生較大的d i/ d t 和d v/ d t ，也可能促使IGBT 進(jìn)入擎住。應(yīng)該在IGBT耐量允許的前提下，設(shè)法緩關(guān)斷IGBT。
(5) 合理選擇器件等級(jí)和開關(guān)頻率
IGBT功率模塊電流等級(jí)參考下式選取：
ic = NPo/ (ηDmaxUdmin) (14)
式中 Po ———額定輸出功率 N ———功率裕量系數(shù) η ———效率
Dmax ———最大占空比 Udmin ———最低直流高壓
高速型IGBT的優(yōu)選頻率范圍是10～15kHz(硬開關(guān)) 。開關(guān)頻率太高，管耗大，溫升高，可靠性下降。以單相4kW的靜止變頻電源為例，選用富士2MBI50L - 120 功率模塊。頻率調(diào)制比mf = 33 ，載波頻率f = 400 ×33 = 13. 2kHz。經(jīng)主電路倍頻以后，逆變橋輸出的SPWM 脈沖波的頻率為26. 4kHz ，其頻譜見圖2。
4 控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路
由EPROM和D/ A 構(gòu)成調(diào)制波產(chǎn)生電路是目前較好的辦法。將參考正弦按規(guī)則采樣法離線算好后存于EPROM 中，若為三相電源，參考正弦三相互差120°，使用一片最小容量的普通型EPROM即可�；倦娐啡鐖D7 所示。
因?yàn)槿遣ㄝd波的斜邊是與參考正弦在臺(tái)階處相交，比較器不存在抖動(dòng)問(wèn)題，不需附加任何措施，穩(wěn)定可靠。
5 主要技術(shù)指標(biāo)
單相4kW變頻電源：
輸入 50Hz ，380V ， ±10 %
輸出 單相115V/ 230V ， ±10 %可調(diào)
電壓調(diào)整率 < 1 %
輸出波形 正弦波，THD < 3 % ，單次諧波< 2 %
頻率 400Hz ， ±30Hz 可調(diào)
過(guò)載能力 120 % ，10 分鐘
效率 > 80 %
6 結(jié)論
單相4kW 變頻電源在兩種雷達(dá)上試用成功。在此基礎(chǔ)上，已派生出各種規(guī)格的電源。實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化和系列化。已廣泛用于部隊(duì)、院校、民航、科研單位等，用戶反映良好。
