一种实用的逆变桥功率开关管门极关断箝位电路
不间断电源(Uninterrupted Power Supply,简称UPS)是一种稳频、稳压、纯净、不间断的高质量电源,随着电子和电器设备对电网质量要求的不断增高,它已经成为许多重要场合必备的辅助电源。
1 逆变电路及其控制
正弦脉宽调制(SPWM)技术在逆变器的控制中得到了广泛应用,正弦脉宽调制方式很多,在此不一一描述。本电路采用的是倍频式的调制方式,下面简单加以介绍。
全桥逆变电路的基本结构如图1所示。在倍频式调制方式中,四个开关管的门极脉冲信号Vg1~Vg4的产生方法如图2所示。四个开关管门极脉冲信号Vg1~Vg4与两桥臂中点A、B间电压VAB的波形也如图2所示。
由图2可以看出,在倍频式调制方式中,A、B间电压频率是开关管工作频率的两倍,这种调制方式的好处在于在不增加开关管工作频率的情况下,可以减小逆变器输出滤波器的尺寸。它的缺点在于四个门极脉冲信号各不相同,提高了控制电路和脉冲发生电路的复杂性。本文提及的逆变电路开关管门极SPWM信号是由数字信号处理器(DSP)产生的,对于数字控制电路而言,倍频式调制方式所带来的电路复杂性可以忽略。
该电路采用IGBT作为功率开关管。由于IGBT寄生电容和线路寄生电感的存在,同一桥臂的开关管在开关工作时相互会产生干扰,这种干扰主要体现在开关管门极上。以上管开通对下管门极产生的干扰为例,实际驱动电路及其等效电路如图3所示。
实际电路中,虚线框部分是IR2110的输出推挽电路,RS、RP分别是T2门极串、并联电阻,Zg是门极限幅稳压管。当上管T1开通时,下管T2门极信号必然为低电平,即M2导通,M2两端可等效为一个电阻RM,这个电阻与RS、RP一起等效为电阻Rg。
Rg=(RM+RS)//RP≈RS(RM < S < P)
Zg两端相当于开路。电容Cge和Cgc都是T2的寄生电容。电感L是功率电路线路的等效寄生电感,Lg是驱动电路的线路电感。
在T1开通前,由于互补门极信号死区的存在,T1、T2均处于关断状态,桥臂中点电压是高压母线电压VBUS的一半。当T1开通时,中点电压立刻上升,很高的dv/dt使L和T2的寄生电容发生振荡,由于Lg和Rg的存在且Cge的阻抗也并不足够低,在T2门极会产生一个电压尖刺。这个电压尖刺幅值随母线电压VBUS和负载电流的增大而增大,可能达到足以导致T2瞬间误导通的幅值,这时桥臂就会形成直通,造成电路烧毁。同样地,当T2开通时,T1的门极也会有电压尖刺产生。
通过减小RS和改善电路布线可以使这个电压尖刺有所降低,但均不能达到可靠防止桥臂直通的要求。
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