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变频器的设计技巧

2010-07-22 16:43
汉水狂客
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        现今的可调速驱动电路都采用变频器来调整输出电流,以满足三相马达的要求。变频器的形状大小通常会受到应用的限制。在许多情况下,电路板与马达靠得很近,而马达构造的高度也会受限。另外,所用高功率半导体器件的物理性质和所选封装的形状,也要求电路板上有足够的位置空间。功率半导体开关工作期间产生的电压、电流交叠会造成损耗,必须将其消除。虽然功率耗散问题可以通过加设散热片而得到改善,但这也会限制半导体器件在电路板上的布局安排。

         变频器是达到EcoDesign节能要求的关键技术。美国电力科学研究院(Electric Power Research Institute)的研究表明,采用变频器的马达比无变频器的马达节能多达40%。无论是感应马达、永磁同步马达,还是无刷直流马达,都可由变频器为其产生正弦电流。为此,开关频率必须比变频器的可调输出频率高几个数量级。而经脉冲宽度调制的输出电压则会施加在电感性负载上。因此,输出电流与电压的平均值成正比。开关频率越高,对变频器越有利;而驱动的扭矩波动越小,动态响应性能便更高,噪声也会变得更低。这就要求开关速率快,而开关速率快意味着di/dt和dv/dt的变化率通常都很高。因此,电路寄生就成为一个大问题,设计人员必须努力解决这个问题,才能满足目前和未来的EMC标准要求。

        成本是电路布局必须考虑的另一个约束因素。许多情况下,都采用双面电路板。而电路板上的不同区域常常只能使用一种焊接工艺。因此,就提高成本效益而言,表面贴装半导体器件是越来越受欢迎的解决方案。

设计考虑因素

         目前,大功率半导体器件(如IGBT和MOSFET)的发展趋势是在提升性能的前提下不断缩小芯片尺寸。减小芯片尺寸能减少器件的寄生电容,从而提高开关速率。因此,深入研究电路板上的关键回路越来越重要。图1为电压源变频器(voltage source inverter,VSI)的两种典型开关工作方式的简化示意电路。在开关频率受限的大电流应用中,IGBT是最受欢迎的器件。上图所示为从高压侧(HS)续流二极管到低压侧IGBT的换流。电流最初是在高压侧二极管和相应反相半桥的IGBT形成的续流通道中。
 


图1   简化的换向电路


        一旦低压侧栅极驱动电路导通了IGBT,就会有短路电流经过高压侧二极管和低压侧IGBT。其结果是二极管电流降低,IGBT电流相应增加(自然换相:1〜2),在开关期间,电感性负载的电流可视为常数。因此,杂散部件与该通道无关。开关速率由低压侧IGBT的导通和半桥的杂散电感来决定。要实现从低压侧IGBT到高压侧续流二极管的反向换流,低压侧IGBT上的压降必须大于直流总线电压,以导通续流二极管。因此,IGBT在与二极管换流(强制换相:2〜1)之前必须能同时承受高电压和大电流。

        在图1中,电压源变频器的临界电流路径被标为红色阴影,其特征是di/dt变化率高,这个特征也表现在对应的栅极驱动电路上。要保证栅极驱动电路安全的工作,就要最大限度地减小杂散电感。尤其是高压侧栅极驱动电路,存在一个由低压侧二极管和电流通道上的阻性和感性压降所引起的,且幅度超过VS最小允许电压的负压,会导致电路工作异常。
 

 

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