電力電子技術在變頻器中的應用

張 磊

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著變頻調速的不斷進步與發展，目前出現了一些以新控制策略和電路拓撲為主的變頻器。不僅可以實現零開關損耗，而且能夠將開關頻率的數量級提升到幾萬赫茲。作為流控器件的IGBT，它的工作性能已經遠遠超過了MOSFET等壓控器件。不僅具有優越的通態特性，而且具有較寬的安全工作區SOA，同時具有高峰值的電流容量，便于系統的驅動。由于IGBT具有的優良特性，它在電動鉆機變頻器上得到了廣泛應用與發展。因此，針對IGBT技術的特性，探討IGBT變頻器在電動鉆機上的幾項重要應用。

1 IGBT技術的特性

1.1 IGBT的關斷特性

IGBT的關斷特性并非直接受MOSFET關斷的影響，而主要是由少數載流子的復合機理決定。其中，N型外延層的少數載流子壽命決定了關斷時間的長短。開關時間的縮短不可以利用外加驅動電流的技術實現，主要原因是沒有進入基區的引出端。關斷時，由于基區中存儲電荷的作用，會導致IGBT的電流波形出現拖尾狀況而出現死區。為了導通出現的死區，需要在板橋線路中增加兩個器件。為了加速復合過程，一般要使用縮短少子壽命技術或是增加一個收集少量N+緩沖層的方法，但往往又會產生電壓降變大和部分PNP增益減小等問題。

1.2 能夠承受一定電壓和電流的能力

IGBT的安全工作區SOA描述晶體管分為正常SOA和短路SOA。這兩種SOA都可以承受一定的電壓和電流。其中，短路SOA承受的電壓和電壓額度較大，在額定電壓工作下可以承受2倍的額定電壓值。在短路狀態，電流會因為柵極電壓和跨導的限制達到10倍數值的連續額定值，負荷電流軌跡穩定在SOA范圍內[1]。IGBT屬于少子器件，在受到高額度的電壓和電流時，有產生不均勻管芯電流分布的幾率。一旦超過安全工作區SOA的安全值，就會造成部分器件失效。所以，在承受高電壓和電流的過程中要保證電流處在安全承受范圍內。

電流分布受電流的變化率di/dt的影響，安全工作區SOA又可分為反向偏置SOA和正向偏置SOA。其中，反向偏置SOA用于感性負載的判斷和短路條件下的關斷；正向偏置SOA用于正常和短路時的關斷。

1.3 具有智能模塊

IGBT是一種電流密度較大的電壓驅動元件，本質上適應于保護電路和驅動電路整體小型化。它的保護模塊是一套簡單的整體性操作，操作過程為“敏感IGBT檢測過電流→門壓降低→斷路→斷路保持→異常診斷輸出的短路保護”。

IGBT的門極上標有+15 V/-2 V電壓，這是由于IGBT的驅動IC由15 V電壓和反偏的2 V電壓（總17 V電源電壓）支持，其中反偏電壓可以通過抑制噪聲降低開關的損耗。此外，高速、靈敏的IGBT還可以很大程度上降低開關時間以進行高速運作。另外，一些容量較小的元件可以通過使用橫向結構的IGBT智能模塊，采用感應隔離方式提高耐高壓的功能特性[2]。

1.4 IGBT的特殊用途

基于IGBT技術能減少噪聲和降低開關損耗的特性，開發了軟開關諧振形功率變換，主要應用于電子測距的高壓電源。電流諧振主要應用于工業感應加熱裝置。IGBT可以提高開關的頻率，所以可以不考慮負載短路的情況，但一定要使用自關斷元件，同時使用飽和電壓較低的元件。

2 IGBT在變頻器上的應用

2.1 整體電路結構設計

變頻器主要包括整流、濾波、逆變、隔離以及負載共5個模塊電路。其中，整流、濾波以及逆變是主要的功能模塊電路，隔離和負載是工作電路。在變頻器外圍設計一個控制保護電路，可以保證變頻器的正常工作。變頻器的結構設計如圖1所示。

變頻器電路工作時，直流電路需要利用IGBT的觸發角調節整流輸出直流電壓，從而間接調整逆變器的工作頻率。另外，可以利用逆變器調整與控制調制波的電壓與頻率，并根據電路信號記錄下來的仿真波形，分析逆變器輸出波形受到調制波頻率大小的影響[3]。逆變器相電壓仿真波形，如圖2所示。

圖1 變頻器的結構設計圖

圖2 逆變器相電壓仿真波形

2.2 整流電路和逆變電路的設計與仿真

IGBT器件具有較強的整流功能，能夠將變頻器中三相工頻電壓轉變為脈動直流電壓，然后經其他電路元器件處理后變成逆變電路的直流電源。整流電路原理如圖3所示。

圖3 整流電路原理圖

根據圖3可知，元件T的功能和隔離電路的功能相同，一旦線路中出現問題和故障（如線路中電流過大），FU可以快速熔斷，從而起到保護整個電路的作用。進線電抗L主要起到隔絕不正常產生的諧波反饋信號，同時也可以限制尖峰電壓信號與異常幅值電流的相互作用，本質上起到保護器的作用。Rs和Ch分別起到限流和高頻濾波的作用。電容Ch可以將逆變電路中產生的大量無功電流反饋至電網，從而在一定程度上防止器件因過熱導致不能工作的問題。T1～T6這6個晶匣管相當于三相整流橋的橋臂。電阻器和C4～C9則充當緩沖區的作用，在一定程度上提高了電路的運行效率和容錯率。KM3和R10組成放通電路，且和KM1、KM2共同組成了閉鎖。當電路出現任何故障導致電機停止運行時，該閉鎖裝置可以釋放之前電容和電感儲存的能量，并沿著電路重新傳輸至電網，避免發生危險事故。對改進后基于IGBT的整流電路進行仿真，得到的輸出電壓和波形圖如圖4所示。根據結果可知，該整流電路可調整精確功率，且該整流電路輸出的波形Ud恰好是三相電壓波形的包絡線，而理論計算得出的波形基本與仿真模擬得出的結論一致[4]。

圖4 整流電路的仿真模擬波形圖

對IGBT的逆變電路而言，需要利用12個IGBT器件進行全橋結構的設計，同時保留6個由二極管VDg組成帶中性點的鉗位電路結構。同時，還有一個由LS、DS以及CS等元件構成的保護電路裝置，在一定程度上有效降低了因短路電流上升速度過快而帶來的負面影響。

3 結 論

隨著電力電子技術的不斷進步與發展，電力電子器件取得了很大的發展空間。特別是IGBT技術，具有優良的通態特性和開關特性，目前已廣泛應用于各個領域的電機變頻器。基于此，本文簡單介紹了IGBT的特點，從變頻器整體電路結構設計、整流電路和逆變電路的設計與仿真兩方面，探討了IGBT在變頻器中的應用，并利用IGBT整流技術優化變頻器的整流電路和逆變電路，使得變頻器能夠在更高電壓和電容量的場合穩定工作。