簡述逆變電路及其控制及門極關(guān)斷箝位電路設(shè)計

UPS(Uninterruptible Power System )，即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算機(jī)、計算機(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，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機(jī)內(nèi)電池充電;當(dāng)市電中斷(事故停電)時， UPS 立即將機(jī)內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(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。

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

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，由原來的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù)，簡稱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可控的功率級，簡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?、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動態(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Vg1～Vg4的產(chǎn)生方法如圖2所示。四個開關(guān)管門極脈沖信號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(diǎn)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(shí)際驅(qū)動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開通時，下管T2門極信號必然為低電平，即M2導(dǎo)通，M2兩端可等效為一個電阻RM，這個電阻與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)動電路的線路電感。

在T1開通前，由于互補(bǔ)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(diǎn)電壓是高壓母線電壓VBUS的一半。當(dāng)T1開通時，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門極會產(chǎn)生一個電壓尖刺。這個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RS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(dá)到可靠防止橋臂直通的要求。