??? 摘? 要: 針對1kVA高頻在線式UPS主功率電路的設(shè)計,并結(jié)合實際電路調(diào)試中所遇到的問題,提出了一種實用的電路——逆變橋功率開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管門極" title="門極">門極關(guān)斷" title="關(guān)斷">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;同時給出了部分電路的實驗波形和實驗結(jié)果。?

??? 關(guān)鍵詞: 逆變? 抑制? 可靠性? 箝位?

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??? 不間斷電源(Uninterrupted Power Supply,簡稱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)備對電網(wǎng)質(zhì)量要求的不斷增高,它已經(jīng)成為許多重要場合必備的輔助電源。?

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,四個開關(guān)管的門極脈沖信號V_g1～V_g4的產(chǎn)生方法如圖2所示。四個開關(guān)管門極脈沖信號V_g1～V_g4與兩橋臂中點A、B間電壓VAB的波形也如圖2所示。

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??? 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。它的缺點在于四個門極脈沖信號各不相同,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信號是由數(shù)字信號處理器(DSP)產(chǎn)生的,對于數(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)工作時相互會產(chǎn)生干擾,這種干擾主要體現(xiàn)在開關(guān)管門極上。以上管開通對下管門極產(chǎn)生的干擾為例,實際驅(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路及其等效電路如圖3所示。?

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??? 實際電路中,虛線框部分是IR2110的輸出推挽電路,R_S、R_P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,下管T2門極信號必然為低電平,即M2導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通,M₂兩端可等效為一個電阻R_M,這個電阻與R_S、R_P一起等效為電阻R_g。?

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??? Z_g兩端相當(dāng)于開路。電容C_ge和C_gc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,L_g是驅(qū)動電路的線路電感。?

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

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

2 門極關(guān)斷箝位電路?

??? 針對前面的分析,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)動電路如圖4所示。?

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??? 門極關(guān)斷箝位電路由MOSFET管M_C1和M_C2、M_C1門極下拉電阻R_C1和M_C2門極上拉電阻R_C2組成。實際上該電路是由MOSFET構(gòu)成的兩級反相器。當(dāng)M_C1門極為高電平時,M_C1導(dǎo)通,M_C2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)M_C1門極為低電平時,M_C1關(guān)斷,M_C2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。?

??? 在使用這個電路時,要注意使M_C2 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,M_C2要盡量靠近功率開關(guān)管,而M_C1、R_C1和R_C2卻不必太靠近M_C2,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)同樣可以實現(xiàn)上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅(qū)動,其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷,同時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,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)用場合這并無太大影響,但在自舉驅(qū)動并且是SPWM的應(yīng)用場合,這些抽流會大大加重自舉電容的負擔(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T2門極信號的波形?？梢钥吹皆陂T極有一個電壓尖刺,這個尖刺與門極脈沖的時間間隔剛好等于死區(qū)時間,由此可以證明它是在同一橋臂另一開關(guān)管開通時產(chǎn)生的。

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??? 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T2門極信號的波形。此時電壓尖刺基本消除。?

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??? 通過實驗驗證,該電路確實可以抑制和消除干擾,有一定的使用價值,可以提高電路的可靠性。?

參考文獻?

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4 PPhilip C.Todd. Extend Current Transformer Range. Unitrode Design Note DN-41, 1997?

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