簡(jiǎn)述逆變電路及其控制及門極關(guān)斷箝位電路設(shè)計(jì)
UPS即不間斷電源，是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）時(shí)，UPS立即將機(jī)內(nèi)電池的電能，通過(guò)逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。
1逆變電路及其控制
PWM技術(shù)原理由于全控型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，不僅使得逆變電路的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，而且在控制策略上與晶閘管類的半控型器件相比，也有著根本的不同，由原來(lái)的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù)，簡(jiǎn)稱PwM技術(shù)。PwM技術(shù)可以極其有效地進(jìn)行諧波抑制，在頻率、效率各方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)使逆變電路的技術(shù)性能與可靠性得到了明顯的提高。采用PwM方式構(gòu)成的逆變器，其輸人為固定不變的直流電壓，可以通過(guò)PwM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現(xiàn)調(diào)壓又實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器只有一個(gè)可控的功率級(jí)，簡(jiǎn)化了主回路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。又因?yàn)榧驂骸⒄{(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。此外，采用PwM技術(shù)不僅能提供較好的逆變器輸出電壓和電流波形，而且提高了逆變器對(duì)交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。
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(jiǎn)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(gè)開(kāi)關(guān)管的門極脈沖信號(hào)Vg1～Vg4的產(chǎn)生方法如圖2所示。四個(gè)開(kāi)關(guān)管門極脈沖信號(hào)Vg1～Vg4與兩橋臂中點(diǎn)A、B間電壓VAB的波形也如圖2所示。
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(kāi)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(kāi)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(diǎn)在于四個(gè)門極脈沖信號(hào)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(kāi)關(guān)管門極SPWM信號(hào)是由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）產(chǎn)生的，對(duì)于數(shù)字控制電路而言，倍頻式調(diào)制方式所帶來(lái)的電路復(fù)雜性可以忽略。該電路采用IGBT作為功率開(kāi)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(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)工作時(shí)相互會(huì)產(chǎn)生干擾，這種干擾主要體現(xiàn)在開(kāi)關(guān)管門極上。以上管開(kāi)通對(duì)下管門極產(chǎn)生的干擾為例，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路及其等效電路如圖3所示。
實(shí)際電路中，虛線框部分是IR2110的輸出推挽電路，RS、RP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(kāi)通時(shí)，下管T2門極信號(hào)必然為低電平，即M2導(dǎo)通，M2兩端可等效為一個(gè)電阻RM，這個(gè)電阻與RS、RP一起等效為電阻Rg.
Rg=(RM+RS)//RP≈RS(RM < S < P)
Zg兩端相當(dāng)于開(kāi)路。電容Cge和Cgc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，Lg是驅(qū)動(dòng)電路的線路電感。
在T1開(kāi)通前，由于互補(bǔ)門極信號(hào)死區(qū)的存在，T1、T2均處于關(guān)斷狀態(tài)，橋臂中點(diǎn)電壓是高壓母線電壓VBUS的一半。當(dāng)T1開(kāi)通時(shí)，中點(diǎn)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Lg和Rg的存在且Cge的阻抗也并不足夠低，在T2門極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖刺。這個(gè)電壓尖刺幅值隨母線電壓VBUS和負(fù)載電流的增大而增大，可能達(dá)到足以導(dǎo)致T2瞬間誤導(dǎo)通的幅值，這時(shí)橋臂就會(huì)形成直通，造成電路燒毀。同樣地，當(dāng)T2開(kāi)通時(shí)，T1的門極也會(huì)有電壓尖刺產(chǎn)生。
通過(guò)減小RS和改善電路布線可以使這個(gè)電壓尖刺有所降低，但均不能達(dá)到可靠防止橋臂直通的要求。
2 門極關(guān)斷箝位電路
針對(duì)前面的分析，本文將提出一種門極關(guān)斷箝位電路，通過(guò)在開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路如圖4所示。
門極關(guān)斷箝位電路由 MOSFET 管MC1和MC2、MC1門極下拉電阻RC1和MC2門極上拉電阻RC2組成。實(shí)際上該電路是由 MOSFET 構(gòu)成的兩級(jí)反相器。當(dāng)MC1門極為高電平時(shí)，MC1導(dǎo)通，MC2因門極為低電平而關(guān)斷，不影響功率開(kāi)關(guān)管的正常導(dǎo)通;當(dāng)MC1門極為低電平時(shí)，MC1關(guān)斷，MC2因門極為高電平而飽和導(dǎo)通，從而在功率開(kāi)關(guān)管的門極形成了一個(gè)極低阻抗的通路，將功率開(kāi)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(gè)電路時(shí)，要注意使MC2 D、S與功率開(kāi)關(guān)管G、E間的連線盡量短，以最大限度地降低功率開(kāi)關(guān)管門極寄生電感和電阻。在電路板的排布上，MC2要盡量靠近功率開(kāi)關(guān)管，而MC1、RC1和RC2卻不必太靠近MC2，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(lái)很大困難。
用雙極型晶體管(如8050)同樣可以實(shí)現(xiàn)上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅(qū)動(dòng)，其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷，同時(shí)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(shí)，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(chǎng)合這并無(wú)太大影響，但在自舉驅(qū)動(dòng)并且是SPWM的應(yīng)用場(chǎng)合，這些抽流會(huì)大大加重自舉電容的負(fù)擔(dān)，容易使自舉電容上的電壓過(guò)低而影響電路的正常工作。因此選用MOSFET來(lái)構(gòu)成上述門極關(guān)斷箝位電路。
圖5是在沒(méi)有門極關(guān)斷箝位電路的情況下，直流母線電壓為100V時(shí)T2門極信號(hào)的波形。可以看到在門極有一個(gè)電壓尖刺，這個(gè)尖刺與門極脈沖的時(shí)間間隔剛好等于死區(qū)時(shí)間，由此可以證明它是在同一橋臂另一開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的。
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(shí)T2門極信號(hào)的波形。此時(shí)電壓尖刺基本消除。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路確實(shí)可以抑制和消除干擾，有一定的使用價(jià)值，可以提高電路的可靠性。
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