簡(jiǎn)述逆變電路及其控制及門(mén)極關(guān)斷箝位電路設計
UPS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、計算機網(wǎng)絡(luò )系統或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時(shí)，UPS將市電穩壓后供應給負載使用，此時(shí)的UPS就是一臺交流市電穩壓器，同時(shí)它還向機內電池充電；當市電中斷（事故停電）時(shí)，UPS立即將機內電池的電能，通過(guò)逆變轉換的方法向負載繼續供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。
1逆變電路及其控制
PWM技術(shù)原理由于全控型電力半導體器件的出現，不僅使得逆變電路的結構大為簡(jiǎn)化，而且在控制策略上與晶閘管類(lèi)的半控型器件相比，也有著(zhù)根本的不同，由原來(lái)的相位控制技術(shù)改變?yōu)槊}沖寬度控制技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)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(zhù)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方式構成的逆變器，其輸人為固定不變的直流電壓，可以通過(guò)PwM技術(shù)在同一逆變器中既實(shí)現調壓又實(shí)現調頻。由于這種逆變器只有一個(gè)可控的功率級，簡(jiǎn)化了主回路和控制回路的結構，因而體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。又因為集凋壓、調頻于一身，所以調節速度快、系統的動(dòng)態(tài)響應好。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。
正弦脈寬調制（SPWM）技術(shù)在逆變器的控制中得到了廣泛應用，正弦脈寬調制方式很多，在此不一一描述。本電路采用的是倍頻式的調制方式，下面簡(jiǎn)單加以介紹。
全橋逆變電路的基本結構如圖1所示。在倍頻式調制方式中，四個(gè)開(kāi)關(guān)管的門(mén)極脈沖信號Vg1～Vg4的產(chǎn)生方法如圖2所示。四個(gè)開(kāi)關(guān)管門(mén)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，在倍頻式調制方式中，A、B間電壓頻率是開(kāi)關(guān)管工作頻率的兩倍，這種調制方式的好處在于在不增加開(kāi)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(gè)門(mén)極脈沖信號各不相同，提高了控制電路和脈沖發(fā)生電路的復雜性。本文提及的逆變電路開(kāi)關(guān)管門(mén)極SPWM信號是由數字信號處理器（DSP）產(chǎn)生的，對于數字控制電路而言，倍頻式調制方式所帶來(lái)的電路復雜性可以忽略。該電路采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)管。由于IGBT寄生電容和線(xiàn)路寄生電感的存在，同一橋臂的開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)工作時(shí)相互會(huì )產(chǎn)生干擾，這種干擾主要體現在開(kāi)關(guān)管門(mén)極上。以上管開(kāi)通對下管門(mén)極產(chǎn)生的干擾為例，實(shí)際驅動(dòng)電路及其等效電路如圖3所示。
實(shí)際電路中，虛線(xiàn)框部分是IR2110的輸出推挽電路，RS、RP分別是T2門(mén)極串、并聯(lián)電阻，Zg是門(mén)極限幅穩壓管。當上管T1開(kāi)通時(shí)，下管T2門(mén)極信號必然為低電平，即M2導通，M2兩端可等效為一個(gè)電阻RM，這個(gè)電阻與RS、RP一起等效為電阻Rg.
Rg=(RM+RS)//RP≈RS(RM < S < P)
Zg兩端相當于開(kāi)路。電容Cge和Cgc都是T2的寄生電容。電感L是功率電路線(xiàn)路的等效寄生電感，Lg是驅動(dòng)電路的線(xiàn)路電感。
在T1開(kāi)通前，由于互補門(mén)極信號死區的存在，T1、T2均處于關(guān)斷狀態(tài)，橋臂中點(diǎn)電壓是高壓母線(xiàn)電壓VBUS的一半。當T1開(kāi)通時(shí)，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(mén)極會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓尖刺。這個(gè)電壓尖刺幅值隨母線(xiàn)電壓VBUS和負載電流的增大而增大，可能達到足以導致T2瞬間誤導通的幅值，這時(shí)橋臂就會(huì )形成直通，造成電路燒毀。同樣地，當T2開(kāi)通時(shí)，T1的門(mén)極也會(huì )有電壓尖刺產(chǎn)生。
通過(guò)減小RS和改善電路布線(xiàn)可以使這個(gè)電壓尖刺有所降低，但均不能達到可靠防止橋臂直通的要求。
2 門(mén)極關(guān)斷箝位電路
針對前面的分析，本文將提出一種門(mén)極關(guān)斷箝位電路，通過(guò)在開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電路中附加這種電路，可以有效地降低上述門(mén)極尖刺。帶有門(mén)極關(guān)斷箝位電路的驅動(dòng)電路如圖4所示。
門(mén)極關(guān)斷箝位電路由 MOSFET 管MC1和MC2、MC1門(mén)極下拉電阻RC1和MC2門(mén)極上拉電阻RC2組成。實(shí)際上該電路是由 MOSFET 構成的兩級反相器。當MC1門(mén)極為高電平時(shí)，MC1導通，MC2因門(mén)極為低電平而關(guān)斷，不影響功率開(kāi)關(guān)管的正常導通;當MC1門(mén)極為低電平時(shí)，MC1關(guān)斷，MC2因門(mén)極為高電平而飽和導通，從而在功率開(kāi)關(guān)管的門(mén)極形成了一個(gè)極低阻抗的通路，將功率開(kāi)關(guān)管的門(mén)極電壓箝位在0V，基本上消除了上文中提到的電壓尖刺。 在使用這個(gè)電路時(shí)，要注意使MC2 D、S與功率開(kāi)關(guān)管G、E間的連線(xiàn)盡量短，以最大限度地降低功率開(kāi)關(guān)管門(mén)極寄生電感和電阻。在電路板的排布上，MC2要盡量靠近功率開(kāi)關(guān)管，而MC1、RC1和RC2卻不必太靠近MC2，這樣既可以發(fā)揮該電路的作用，也不至于給電路板的排布帶來(lái)很大困難。
用雙極型晶體管(如8050)同樣可以實(shí)現上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅動(dòng)，其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷，同時(shí)防止其本身受到干擾，基極同樣需要并聯(lián)下拉電阻，這樣就使電路更加復雜。同時(shí)，要維持雙極型晶體管飽和導通，其基極就必須從電源抽取電流，在通常的應用場(chǎng)合這并無(wú)太大影響，但在自舉驅動(dòng)并且是SPWM的應用場(chǎng)合，這些抽流會(huì )大大加重自舉電容的負擔，容易使自舉電容上的電壓過(guò)低而影響電路的正常工作。因此選用MOSFET來(lái)構成上述門(mén)極關(guān)斷箝位電路。
圖5是在沒(méi)有門(mén)極關(guān)斷箝位電路的情況下，直流母線(xiàn)電壓為100V時(shí)T2門(mén)極信號的波形�？梢钥吹皆陂T(mén)極有一個(gè)電壓尖刺，這個(gè)尖刺與門(mén)極脈沖的時(shí)間間隔剛好等于死區時(shí)間，由此可以證明它是在同一橋臂另一開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)產(chǎn)生的。
圖6是在有門(mén)極關(guān)斷箝位電路的情況下，直流母線(xiàn)電壓為400V時(shí)T2門(mén)極信號的波形。此時(shí)電壓尖刺基本消除。
通過(guò)實(shí)驗驗證，該電路確實(shí)可以抑制和消除干擾，有一定的使用價(jià)值，可以提高電路的可靠性。
| 【上一個(gè)】 一款多功能逆變電源的設計與實(shí)現 | 【下一個(gè)】 基于功率穩壓逆變電源的設計與應用 |
| ^ 簡(jiǎn)述逆變電路及其控制及門(mén)極關(guān)斷箝位電路設計 |