三电平逆变器的硬件设计

2010-07-25王昉张树团

船电技术 2010年10期

王昉张树团

（海军航空工程学院，山东 264001）

1 引言

目前，逆变器的应用越来越广泛。三电平逆变器作为多电平逆变器拓扑结构之一，在实际工业领域获得了广泛的应用。随着交流电机调速理论的发展、新型大功率电力电子器件的产生、新型变频技术以及微电子技术的应用，以及变频器在高压大功率系统中应用的日益广泛，三电平逆变器作为变频器的一个分支越来越受到重视。

2 逆变主电路的设计

三相三电平逆变器实验平台的系统构成如图1所示，整个系统由逆变主电路，电压检测电路，电流检测电路，控制电路，驱动电路构成。

逆变器主电路是系统的核心，它主要实现电能的DC/AC转换；控制电路主要是SVPWM的生成，对主电路进行适当的控制，驱动电路实现主电路和控制电路之间的信号连接，并且实现主电路和控制电路之间的电气隔离；电压检测电路实现对主电路直流侧电容电压的检测；电流检测电路实现对输出电流的检测。

图1 三相三电平逆变器系统框图

逆变主电路采用三相三电平二极管箝位式逆变桥，逆变结构如图2所示。输入电压为400 V，输出电压200 V/50 Hz，功率管开关频率为3 kHz，逆变器的设计功率为5 kW。

2.1 开关管的选取[1]

输入电压400 V，由于采用二极管箝位，正常工作时功率开关管耐压为200 V，考虑2倍裕量，功率开关管电压定额取400 V；功率开关电流等于电感电流，考虑一定的裕量，功率管电流定额取20 A。所以选用MOS管型号为IRF460（额定耐压为500 V，电流为21.0 A）。需要指出的是，在 IRF460内，厂家已经在其内部封装有反并联的快恢复二极管，它的过电流能力与主管相当，所以在主电路中是不需要加反并联二极管的。

图2 逆变桥结构图

2.2 箝位二极管的选取

箝位二极管承受的反向电压为母线电压的一半200 V，考虑2倍裕量，箝位二极管电压定额取400 V；承受正向电流即逆变器输出电流，考虑3倍裕量，箝位二极管电流定额取30 A。所以箝位二极管选择BYV29-500 M，其反向峰值电压达500 V，正向峰值电流可达200 A。

2.3 分压电容的选取

电容工作时耐压为200 V，考虑到2倍裕量，电压定额取 400 V；由于流经电容中点的电流主要是三次谐波电流，考虑三次谐波电流造成的中点电压脉动较小，故分压电容选取：450 V/470 µF。

3 驱动电路

3.1 MOSFET的驱动

电力MOSFET的驱动特点[2]：

1) 电力 MOSFET为单极型器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高。因而开关速度可以提高，驱动功率小，电路简单。

2) 但电力MOSFET极间电容较大，开关速度和驱动源内阻有关。

3) 和GTR相似，电力MOSFET栅极驱动也要考虑保护、隔离等问题。

电力 MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有：

1) 能提供合适的栅极电压，上升和下降速度快，即脉冲前后沿陡峭。

2) 尽量减小驱动电路输出电阻，提高电力MOSFET的开关速度。

3) 为了可靠导通，正驱动电压应高于开启电压。为了加快关断速度、防止在关断状态时误导通，截止时最好能提供负栅压。

4) 驱动电路应具备良好的电气隔离性能，实现主、控电路间隔离，具有好的抗干扰性能。

5) 驱动电路应具有适当的保护功能，如过电流保护、欠压保护、过压箝位保护、器件过热保护等。

6) 驱动电路应该简单可靠，体积小，成本低。

3.2 驱动电路的实现

三电平逆变器主电路共有12个开关器件，由主电路结构可以看出，上面九个MOSFET的驱动信号是不能共地的，如果采用单路驱动的驱动器，至少需要十个独立直流电源给12个驱动器供电。这样会使电路设计非常复杂，同时也增加了设计成本。国际整流器公司的 MOS栅极驱动器系列产品把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内。外接很少的分立元件，就能提供极快的开关速度和低的功耗。这是依据自举原理工作或加一浮动电源。工作在自举模式时，在绝大多数的应用中它们的工作频率可由数十赫兹到数百千赫兹。

综合考虑以上因素，选取 International Rectifier公司推出的IR2110作为三相三电平逆变器的驱动器。IR2110的驱动频率可达100 kz，工作电压达500 V，内部特殊的自举技术可以允许同时输出两个不共地的驱动信号，6个IR2110仅需四个直流电源供电，可以大大降低系统的成本，简化系统的硬件结构[3]。

采用 IR2110设计的单相驱动电路如图 3所示，自举电容C4通常采用0.1 µF就可满足5 kHz以上的开关频率。在 Vcc和 COM间，VDD和Vss间要连接两个旁路电容[4]。

图3 IR2110的典型应用

4 光耦隔离

为了增强系统的抗干扰能力，可使用高速光耦如6N137等元件将控制部分与由IR2110构成的驱动电路隔离，这样可使控制电路的逻辑地和驱动电路的逻辑地相互独立。连接电路见图4。

图4 6N137典型连接

6N137 的结构原理如图5所示，信号从引脚2和引脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流－电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入端为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阀值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路[5]。

图5 6N137结构原理图

若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从引脚3输入，引脚2接高电平。引脚2须接限流电阻。如果不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大，对Vcc有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相当大的尖峰脉冲噪声，而通常印刷电路板的分布电感会使地线吸收不了这种噪声，其峰－峰值可达100 mV以上，足以使模拟电路产生自激，A/D不能正常工作。所以在可能的情况下，限流电阻应尽量取大。在Vcc(脚8)和(脚5)之间必须接一个0.1 µF高频特性良好的电容，如瓷介质或锂电容而且应尽量放在脚5和脚8附近。这个电容既可以吸收电源线上纹路，又可以减小光电隔离器接收端开关工作时对电源的冲击。脚7是使能端，当它在0－0.8 V时强制输出为高(开路)；当它在2.0 V—Vcc时允许接收端工作。脚6是集电极开路输出端，通常加上拉电阻。因为电阻太小会使6N137耗电增大，加大对电源的冲击使旁路电容无法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。

应该特别说明的是芯片两端的电源Vcc_5 V和 Vcc，还有两个地必须是完全隔离的，否则采用光耦也就失去了意义。

5 中点电压检测电路的设计

主要包括中点电位检测和过流检测。中点电位检测电路的设计如图6所示。图中电阻选择100 kΩ以上，保证参考电位的稳定，同时又不增加系统功耗。中点电位是有正负的，但是DSP的AD转换口允许输入的电压值为 0-5 V，所以必须进行电平变换及限幅。具体电路如图7所示，Uo为中点电压，稳压管的稳压值为5 V，具体电阻值需要根据实际的中点电压值进行确定。