摘 要：文章對(duì)目前變頻器的研究熱點(diǎn)三電平技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)作了簡(jiǎn)要敘述。在應(yīng)用的基礎(chǔ)上對(duì)逆變器的驅(qū)動(dòng)電路部分作了介紹。并對(duì)Semikron公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)電路作了詳細(xì)的介紹，給出了一種常用的電路及其參數(shù)。

關(guān)鍵詞：變頻器；驅(qū)動(dòng)電路；短路

引言

三電平逆變器是以電力系統(tǒng)中直流輸電、無(wú)功功率補(bǔ)償、電力有源濾波等應(yīng)用發(fā)展的需求，高壓大功率交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)大量應(yīng)用的需求，以及20世紀(jì)70年代以來(lái)兩次世界性的能源危機(jī)和當(dāng)前嚴(yán)重的環(huán)境污染引起的世界各國(guó)對(duì)節(jié)能技術(shù)與環(huán)保技術(shù)的廣泛關(guān)注為背景的[1]。而經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，IGBT表現(xiàn)出了很強(qiáng)的生命力，其開(kāi)關(guān)性能經(jīng)歷五代改進(jìn)也日臻完善，同時(shí)，IGBT的容量等級(jí)也在快速提升，單管電壓已達(dá)6500V，無(wú)均流并聯(lián)電流已達(dá)3300A，已成為基本上取代了GTR，并在很多應(yīng)用領(lǐng)域挑戰(zhàn)GTO的電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件[2-3]。

驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)會(huì)對(duì)IGBT的運(yùn)行性能產(chǎn)生顯著影響，如開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、短路電流保護(hù)能力和抗dv/dt的能力等。因此，根據(jù)IGBT的型號(hào)類(lèi)型和參數(shù)指標(biāo)合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于充分發(fā)揮IGBT的性能是十分重要的[4-5]。

1 三電平NPC逆變器技術(shù)

在對(duì)二極管箱位型三電平逆變器電路和波形[6]分析之后，可以概括出三電平逆變器相對(duì)于兩電平拓?fù)溆幸韵聝?yōu)點(diǎn)[7]：

1.1 NPC三電平逆變器能夠很好的解決電力電子開(kāi)關(guān)耐壓不夠高的問(wèn)題。由于每相輸出電壓在■-0或者■-0之間，器件承受的關(guān)斷電壓只有直流回路電壓的一半，器件受到的電壓應(yīng)力小，系統(tǒng)可靠性有所提高；

1.2 三電平逆變器輸出電壓電平數(shù)增加后，各級(jí)電平間的幅值變化降低，低的dv/dt對(duì)外圍電路的干擾小，電磁干擾降低，在開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波幅值也小得多；

1.3 由于三電平逆變器輸出為三電平階梯波，形狀更接近正弦。在同樣的開(kāi)關(guān)頻率下，諧波比兩電平要低得多；

1.4 在同樣的直流電壓Vdc下，三電平拓?fù)涫褂玫拈_(kāi)關(guān)數(shù)目并不比兩電平逆變器多。

其中逆變電路如圖1所示

圖1 三電平逆變電路圖

其工作原理通過(guò)驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的電壓。本實(shí)驗(yàn)采用電機(jī)30KW，IGBT選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的BSM 150 GB 120 DN2兩單元模塊。IGBT的驅(qū)動(dòng)是其中的關(guān)鍵之一。

2 驅(qū)動(dòng)模塊簡(jiǎn)介

本三電平驅(qū)動(dòng)電路使用SKYPERTM32驅(qū)動(dòng)內(nèi)核，該模塊是Semikron公司推出的基于半橋電路的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，它包含了所有驅(qū)動(dòng)功能，并簡(jiǎn)化了門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。有兩路輸出通道，具有欠電壓，短路保護(hù)。驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)15A。

2.1 驅(qū)動(dòng)電源

驅(qū)動(dòng)電源要求15V，精度15V±4%。由于驅(qū)動(dòng)板每個(gè)通道功率裕量不超過(guò)5W，實(shí)際使用12個(gè)IGBT，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電源使用15V±3%，額定電流13A，電源精度和功率都滿足要求。

2.2 驅(qū)動(dòng)能力

由于IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，它是一種場(chǎng)控器件。其開(kāi)通和關(guān)斷是由于柵極和發(fā)射極間的電壓uge決定的，當(dāng)uge為正且大于開(kāi)啟電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與射極間施加反向電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)溝道消失，晶閘管的基極電力被切斷，是IGBT關(guān)斷。由于IGBT驅(qū)動(dòng)原理相當(dāng)于給門(mén)級(jí)輸入電容一個(gè)充電的過(guò)程，所以其開(kāi)關(guān)速度和輸入電容有很大的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)板最大輸出開(kāi)關(guān)頻率為fmax=IoutAVmax/QGE，其中IoutAVmax為最大輸出平均電流，QGE為被驅(qū)動(dòng)的IGBT所需要的柵極電荷，可根據(jù)IGBT參數(shù)中的中輸入電容Ciss計(jì)算，QGE=■Ciss？駐u2（根據(jù)驅(qū)動(dòng)板情況？駐u=22V）。

2.3 欠壓保護(hù)

2.3.1 欠電壓復(fù)位

可以把PRIM_nPWRFAIL_IN管腳當(dāng)作復(fù)位功能管腳和電源相接。若電源復(fù)位，該管腳被輸入低電平，驅(qū)動(dòng)被復(fù)位。當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常，驅(qū)動(dòng)回復(fù)正常準(zhǔn)備好狀態(tài)。

2.3.2 低電壓保護(hù)

如果門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低則可能導(dǎo)致IGBT將不再完全受控。因?yàn)殚T(mén)級(jí)電壓比較低，IGBT可能工作在線性區(qū)，通流能力降低，損耗大，可能導(dǎo)致發(fā)生過(guò)熱過(guò)載。如果內(nèi)部驅(qū)動(dòng)內(nèi)部監(jiān)測(cè)到供電電壓小于13.5V，驅(qū)動(dòng)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，關(guān)斷IGBT，輸入側(cè)脈沖無(wú)效，同時(shí)錯(cuò)誤信號(hào)置位。

若驅(qū)動(dòng)板二次側(cè)下降，驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，關(guān)斷IGBT，輸入側(cè)脈沖無(wú)效，無(wú)錯(cuò)誤信號(hào)輸出。

2.4 電壓隔離

由于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部試使用了隔離變壓器，脈沖輸出是不共地的，得到了隔離脈沖。不再需要外部電源的隔離。

2.5 短脈沖抑制

短脈沖抑制可以抑制脈寬小于625ns以下的干擾錯(cuò)誤信號(hào)，防止其導(dǎo)致IGBT誤導(dǎo)通，提高抗干擾能力。只有脈寬大于750ns的開(kāi)關(guān)信號(hào)才有效，介于二者之間的開(kāi)關(guān)信號(hào)可能有效或被抑制，其原理如圖所示。

圖2 短脈沖抑制原理圖

2.6 死區(qū)時(shí)間設(shè)置

死區(qū)時(shí)間設(shè)置可防止上下橋壁同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致直通短路。該驅(qū)動(dòng)板可用PRIM_CFG_TDT1_IN1，PRIM_CFG_TDT1_IN2，PRIM_CFG_T

DT1_IN3，PRIM_CFG_SELECT_IN四個(gè)管腳設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間表如下，其中GND為接地，open為不接。

表1 死區(qū)時(shí)間表

2.7 動(dòng)態(tài)短路保護(hù)

動(dòng)態(tài)短路保護(hù)可以監(jiān)測(cè)IGBT開(kāi)通后集射極電壓，在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后（Tbl，由外部電路可設(shè)置）后將VCE和外部可調(diào)的參考電壓VCESTAT相比較，一旦監(jiān)測(cè)到的電壓大于參考電壓，立刻關(guān)斷該路的輸出，并將故障信號(hào)傳送至原邊的故障存儲(chǔ)區(qū)，記錄故障。并且封鎖后續(xù)的開(kāi)通信號(hào)。其中消隱時(shí)間和參考電壓設(shè)置可分別由電容Cce和Rce來(lái)設(shè)置，其中消隱時(shí)間設(shè)置公式為

門(mén)檻電壓設(shè)置公式為 。

其中消隱時(shí)間應(yīng)根據(jù)實(shí)際IGBT導(dǎo)通特性設(shè)置，Tbl>IGBT電壓下降到飽和狀態(tài)壓降。門(mén)檻電壓應(yīng)大于IGBT飽和壓降。其可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤情況有以見(jiàn)圖3下幾種。

2.8 軟關(guān)斷

在短路情況下，IGBT會(huì)被強(qiáng)制關(guān)斷，du/dt過(guò)大，可能導(dǎo)致IGBT損壞。設(shè)置軟關(guān)斷，相當(dāng)于在對(duì)門(mén)級(jí)關(guān)斷電阻串聯(lián)了電阻，可以使關(guān)斷速度減慢，比正常情況下關(guān)斷時(shí)間增大。

2.9 輸出

驅(qū)動(dòng)模塊的輸出級(jí)采用MOSFET晶體管，MOSFET的源級(jí)與外部端子連接，通過(guò)串聯(lián)的開(kāi)通或關(guān)斷電阻（RON或ROFF）分別天界IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。該電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是能針對(duì)開(kāi)通過(guò)電流，關(guān)斷過(guò)電壓及短路時(shí)的不同情況采取單獨(dú)的開(kāi)通和關(guān)斷優(yōu)化處理。門(mén)級(jí)-射極電阻可防止電容非正常充電。電阻值的選取受直流母線電壓的影響、電路寄生電感、開(kāi)關(guān)頻率及IGBT型號(hào)等因素的影響。

3 應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)為三電平變頻器，和一般兩點(diǎn)平有所不同。電機(jī)功率為33KW每個(gè)驅(qū)動(dòng)板為可輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此次實(shí)驗(yàn)用六個(gè)驅(qū)動(dòng)板，共輸出12路脈沖。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。IGBT選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的BSM 150 GB 120 DN2兩單元模塊。其參數(shù)Vsat為2.7V，開(kāi)通時(shí)間為600ns，設(shè)置參考電壓Vref為5.5V，消隱時(shí)間為5.1us，根據(jù)計(jì)算公式選取電阻Rce18K，Cce330uf。開(kāi)通和關(guān)斷電阻都選用5.6？贅，由于開(kāi)關(guān)頻率一般不到10K，電阻功率選擇為1W已經(jīng)綽綽有余。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)三電平變頻器的優(yōu)點(diǎn)作了概述，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)板的使用做了詳細(xì)的介紹，并對(duì)驅(qū)動(dòng)板中一些參數(shù)的計(jì)算和元件的選取做了說(shuō)明。

參考文獻(xiàn)

[1]趙彥威.基于可變電抗器技術(shù)的智能型固態(tài)軟起動(dòng)器的研究[J].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.1-2.

[2]秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[4]李忠臣，安繼民，陳民，等.基于開(kāi)關(guān)變壓器技術(shù)的中壓（3～10kV）.

[5]電機(jī)軟啟動(dòng)裝置[J].電氣傳動(dòng)，2003，33（1）：22-24.

[6]林國(guó)艷.異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.4-5.

[7]OWEN A， ANTONIO G， ROSANA E， et al. Process modeling and control using a single neural network [ C]∥IEEE International Conference on Systems Man and Cybernetics， Humans，Information and Technology. Sandiego， CA， USA： IEEE， 1994：475-1480.

[8]黃邵剛，黃華高，季國(guó)瑜.基于Matlab的異步電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程的仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2003，20（7）：101-104.

[9]洪乃剛等.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介：黃釗：1987.8，性別：男，民族：漢，籍貫：皖碭山，學(xué)歷：本科，職稱(chēng)：助理工程師，研究方向：自動(dòng)化。