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三相逆变高压IGBT功率模块

作者:海飞乐技术 时间:2019-11-22 11:47

  在电控系统变频调速电路中,三相逆变高压IGBT功率模块主要负责将前级PFC电路输出的直流电转变为频率和幅度可变的三相交流电驱动电机负载,完成DC/AC功率逆变功能。本文提出并研发了一种600V30A铝基板架构三相逆变高压IGBT功率模块,其内部原理框图如图1所示。该三相逆变高压IGBT功率模块主要由以下四个部分组成:
  (1)高压IGBT栅极驱动集成电路。在三相逆变高压IGBT功率模块中,高压IGBT栅极驱动集成电路负责将低压逻辑输入信号(3.3V~5V)转换为功率器件IGBT栅极驱动信号(15V~20V),控制其开通和关断。高压IGBT栅极驱动集成电路作为三相逆变高压IGBT功率模块的控制核心,内部包含接口电路、驱动电路、高压电平位移电路、错误检测电路以及控制逻辑等电路。
  (2)三相逆变电路。三相逆变电路由六个IGBT(IGBT1~IGBT6)和六个快恢复二极管FRD(FRD1~FRD6)构成,FRD与IGBT进行反向并联,实现续流功能。功率器件IGBT1~IGBT6在高压IGBT栅极驱动集成电路的控制下进行开通和关断,实现功率逆变功能。
  (3)自举电路。自举电路由自举电阻RBS、自举二极管DBS1~DBS3和自举电容CBS1~CBS3组成,实现单电源供电。
  (4)保护电路。为保证三相逆变高压IGBT功率模块安全可靠工作,其内部通常集成有各种保护电路,本章提出的三相逆变高压IGBT功率模块具有过流保护、过温保护和欠压保护功能。

三相逆变高压IGBT功率模块原理框图 
图1 三相逆变高压IGBT功率模块原理框图
 
  如图1所示,P和N为三相逆变高压IGBT功率模块的直流母线输入端。市电电压经整流电路、PFC电路转变为直流电压之后连接至P和N。U、V、W为三相逆变高压IGBT功率模块的三相输出端,连接至外部压缩机负载。IN1~IN6为三相逆变高压IGBT功率模块逻辑信号输入端,逻辑信号经高压IGBT栅极驱动集成电路进行电平位移后产生三相逆变电路功率器件IGBT1~IGBT6的栅极驱动信号,控制IGBT1~IGBT6开通和关断。通过有规律地控制三相逆变电路功率器件IGBT1~IGBT6进行开通和关断,便可以将P和N之间的直流电转变为三相交流电经U、V、W输出驱动压缩机负载。
 
  图2给出了三相逆变高压IGBT功率模块输入输出波形。逻辑信号输入端IN1~IN6的输入信号为正弦波脉冲宽度调制(SPWM)信号,该信号通过正弦波调制波VRU、VRV、VRW与三角波载波VC相比较而得到。当正弦波调制波VRU、VRV、VRW与三角波载波VC相交时,其交点作为IGBT1~IGBT6开通和关断的时间点,从而获得按照正弦波规律变化的等幅不等宽矩形脉冲波序列。在理想情况下,同一相上下桥臂两个IGBT器件的栅极驱动信号是互补的,即上桥臂IGBT开通,则下桥臂IGBT关断,反之亦然。然而,在实际应用中,由于IGBT关断存在拖尾,其关断时间通常大于开通时间,因此,为了防止原来处于开通状态的IGBT尚未完全截止,另一IGBT便开通,造成上下桥臂直通,必须在上下桥臂两个IGBT的栅极驱动信号之间设置死区时间,即在原来处于开通状态的IGBT进入截止状态之后设置一延迟时间,待其完全截止另一IGBT才开通。通过SPWM信号控制三相逆变电路中IGBT1~IGBT6的开通和关断,使其输出端U、V、W获得一系列等幅不等宽的矩形脉冲波序列,其中VUO、VVO、VWO为U、V、W三相输出电压与母线电压VD中性点O之间的相电压;VUV、VVW、VWU为输出线电压。由于三相逆变高压IGBT功率模块的压缩机负载呈感性,因此U、V、W三相的输出电流为近似正弦波的连续波形。此外,输出电压频率可以通过调节三相正弦波调制波VRU、VRV、VRW的频率来调节,而输出电压幅度则可以通过调节三相正弦波调制波VRU、VRV、VRW的幅度来调节,从而实现同时对输出电压频率和幅度的控制。
三相逆变高压IGBT功率模块输入输出波形
图2 三相逆变高压IGBT功率模块输入输出波形
 



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