變頻器主電路工作原理

變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)框圖

按照不同的控制方式,，交－直－交變頻器可分成以下三種方式：

采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式,，其結(jié)構(gòu)框圖,。

可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn)：

在這種裝置中,，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別進(jìn)行,，在控制電路上協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡單,，控制方便,。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器,，當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí),，電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成多拍逆變器,，每周換相六次,，輸出的諧波較大,，因此這類控制方式現(xiàn)在用的較少,。

采用不控整流器整流、斬波器調(diào)壓,、再用逆變器調(diào)頻的控制方式,，其結(jié)構(gòu)框圖。

不控整流器整流,、斬波器調(diào)壓,、再用逆變器調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn)：

整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，只整流不調(diào)壓,，再單獨(dú)設(shè)置斬波器,，用脈寬調(diào)壓，這種方法克服功率因數(shù)較低的缺點(diǎn),；但輸出逆變環(huán)節(jié)未變,，仍有諧波較大的缺點(diǎn)

采用不控制整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式,，其結(jié)構(gòu)框圖,。

不控制整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn)：

在這類裝置中,，用不控整流,，則輸入功率因數(shù)不變；用（PWM）逆變，則輸出諧波可以減小,。PWM逆變器需要全控型電力半導(dǎo)體器件,，其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時(shí)間的限制,。采用絕緣雙極型晶體管IGBT時(shí),，開關(guān)頻率可達(dá)10kHz以上，輸出波形已經(jīng)非常逼近正弦波,，因而又稱為SPWM逆變器,，成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。

電壓型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電壓型變頻器：

在交－直－交變頻器中,，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí),，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻抗為零的恒壓源,，輸出交流電壓是矩形波或階梯波,，這類變頻器叫做電壓型變頻器

電流型變頻器結(jié)構(gòu)框圖：

電流型變頻器：

當(dāng)交－直－交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流波形比較平直,，因而電源內(nèi)阻抗很大,，對負(fù)載來說基本上是一個(gè)電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波,，這類變頻器叫做電流型變頻器,。

幾種典型的交－直－交變頻器的主電路。 

①交－直－交電壓型變頻電路

常用的交—直—交電壓型PWM變頻電路,。

交—直—交電壓型PWM變頻電路采用二極管構(gòu)成整流器,，完成交流到直流的變換，其輸出直流電壓Ud是不可控的,；中間直流環(huán)節(jié)用大電容C濾波,；電力晶體管V1～V6構(gòu)成PWM逆變器，完成直流到交流的變換,，并能實(shí)現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時(shí)調(diào)節(jié),，VD1～VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。

②交－直－交電流型變頻電路

常用的交－直－交電流型變頻電路,。

交－直－交電流型變頻電路：整流器采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路,，完成交流到直流的變換，輸出可控的直流電壓U,，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能,；中間直流環(huán)節(jié)用大電感L濾波；逆變器采用晶閘管構(gòu)成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路,，完成直流到交流的變換,，并實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。

③交－直－交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較

1．IGBT的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

絕緣門極晶體管IGBT也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發(fā)展起來的復(fù)合型電力電子器件,。

由于它結(jié)合了MOSFET和GTR的特點(diǎn),，既具有輸入阻抗高、速度快,、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的優(yōu)點(diǎn),，又具有輸入通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn),，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力,。

在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，中頻和開關(guān)電源以及要求快速,、低損耗的領(lǐng)域,，IGBT有著主導(dǎo)地位。

（1）  IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1）基本結(jié)構(gòu)

IGBT也是三端器件,，三個(gè)極為漏極（D）,、柵極（G）和源極（S）。

（a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）簡化等效電路（c）電氣圖形符號

2）工作原理

IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同,，它是一種壓控型器件,。

開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的，當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時(shí),，MOSFET內(nèi)形成溝道,，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。

當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時(shí),，MOSFET內(nèi)的溝道消失,，晶體管無基極電流,，IGBT關(guān)斷,。

（2）  IGBT的基本特性與主要參數(shù)

  IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

（a)  轉(zhuǎn)移特性  （b)  輸出特性

1）IGBT的基本特性

① 靜態(tài)特性

IGBT的轉(zhuǎn)移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系,，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似,。

開啟電壓UGE（th）是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的低柵射電壓。

UGE（th）隨溫度升高而略有下降,，溫度升高1oC,，其值下降5mV左右。在+25oC時(shí),，UGE（th）的值一般為2~6V,。

IGBT的輸出特性，也稱伏安特性,，它描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí),，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

IGBT的開關(guān)過程

2）主要參數(shù)

①集電極—發(fā)射極額定電壓UCES

②柵極—發(fā)射極額定電壓UGES

③額定集電極電流IC 

（3）IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)

從IGBT的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，IGBT電流可能發(fā)生失控的現(xiàn)象,，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后,，即使撤消觸發(fā)信號晶閘管仍然因進(jìn)入正反饋過程而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，因此被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng),。

引發(fā)擎住效應(yīng)的原因,，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)）,，溫度升高也會(huì)加重發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn),。

動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的,。

根據(jù)最大集電極電流,、最大集電極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍；根據(jù)最大集電極電流,、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍,，即反向偏置安全工作電壓（RBSOA）

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

（1)對驅(qū)動(dòng)電路的要求

①IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)的，具有一個(gè)2.5~5.0V的閥值電壓,，有一個(gè)容性輸入阻抗,，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠,，保證有一條低阻抗值的放電回路,，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。

②用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對柵極電容充放電,，以保證柵極控制電壓UCE有足夠陡的前后沿,，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外,，IGBT開通后,，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞,。

③驅(qū)動(dòng)電路中的正偏壓應(yīng)為+12~+15V,，負(fù)偏壓應(yīng)為-2~-10V。

④IGBT多用于高壓場合,，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離,。

⑤驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，具有對IGBT的自保護(hù)功能,，并有較強(qiáng)的抗干擾能力,。

⑥若為大電感負(fù)載，IGBT的關(guān)斷時(shí)間不宜過短,，以限制di/dt所形成的尖峰電壓,，保證IGBT的安全,。

（2)驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)镮GBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于IGBT,。

在用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的逆變器電路中,，為使IGBT能夠穩(wěn)定工作，要求IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用正負(fù)偏壓雙電源的工作方式,。

為了使驅(qū)動(dòng)電路與信號電隔離,，應(yīng)采用抗噪聲能力強(qiáng)，信號傳輸時(shí)間端的光耦合器件,。

基極和發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短,，基極驅(qū)動(dòng)電路的輸入線應(yīng)為絞合線

為抑制輸入信號的振蕩現(xiàn)象，基極和發(fā)射極并聯(lián)一阻尼網(wǎng)絡(luò),。

驅(qū)動(dòng)電路的輸出級采用互補(bǔ)電路的形式以降低驅(qū)動(dòng)源的內(nèi)阻,，同時(shí)加速IGBT的關(guān)斷過程。

IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路

         a) 阻尼濾波          （b) 光電隔離

（3)集成化驅(qū)動(dòng)電路

IGBT有與其配套的集成驅(qū)動(dòng)電路,。

這些專用驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng),，集成化程度高，速度快,，保護(hù)功能完善,，可實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)。

IGBT的保護(hù)電路

因?yàn)镮GBT是的保護(hù)主要是柵源過電壓保護(hù),、靜電保護(hù),、采用R-C-VD緩沖電路等等。

在IGBT電控系統(tǒng)中設(shè)置過壓,、欠壓,、過流和過熱保護(hù)單元，以保證安全可靠工作,。

必須保證IGBT不發(fā)生擎住效應(yīng),；具體做法是，實(shí)際中IGBT使用的最大電流不超過其額定電流,。

1）緩沖電路

幾種用于IGBT橋臂的典型緩沖電路,。

         （a)        （ b)        （c)

a)圖是簡單的單電容電路,，適用于50A以下的小容量IGBT模塊,，由于電路無阻尼組件，易產(chǎn)生LC振蕩,，故應(yīng)選擇無感電容或串入阻尼電阻RS,；

b)圖是將RCD緩沖電路用于雙橋臂的IGBT模塊上，適用于200A以下的中等容量IGBT,；

c)圖中,，將兩個(gè)RCD緩沖電路分別用在兩個(gè)橋臂上,，該電路將電容上過沖的能量部分送回電源，因此損耗較小,，廣泛應(yīng)用于200A以上的大容量IGBT,。

（2）IGBT的保護(hù)

過電流保護(hù)措施主要是檢測出過電流信號后迅速切斷柵極控制信號來關(guān)斷IGBT。

   實(shí)際使用中,，要求在檢測到過電流后,，通過控制電路產(chǎn)生負(fù)的柵極驅(qū)動(dòng)信號來關(guān)斷IGBT。只要IGBT的額定參數(shù)選擇合理,，10內(nèi)的過電流一般不會(huì)使之損壞,。

采用集電極電壓識別方法的過流保護(hù)電路。

集電極電壓識別方法的過流保護(hù)電路

   為了避免IGBT過電流的時(shí)間超過允許的短路過電流時(shí)間,，保護(hù)電路應(yīng)當(dāng)采用快速光耦合器等快速傳送組件及電路,。

檢測發(fā)射極電流過流的保護(hù)電路。