小孙学变频-变频器主电路.doc

1、小孙学变频第一讲 变频器的主电路http:/ 1-1 所示，然后说：“你瞧，电网的电压和频率是固定的。在我国，低压电网的电压和频率统一为 、 ，是不能变的。要想得到电压和频率都能调节的电源，必须380V5Hz自己变出来，才便于控制。所谓变出来，当然不可能象变魔术那样凭空产生出来，而只能从另一种能源变过来。这另一种能源，便是直流电。因此，交直交变频器的工作可分为两个基本过程：（1）交直变换过程就是先把不可调的电网的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电。（2）直交变换过程就是反过来又把直流电“逆变”成电压和频率都任意可调的三相交流电。你方才说的那台变频器的问题，我的判断是出在交直变换里。我们就

2、来讨论这部分电路吧。图 1-1 交-直-交变频器框图1. 交直变换电路“所谓交直变换电路就是是整流和滤波。在低压电路里，哪种滤波方式效果最好？”老张又问。“应该是 形滤波。”小孙答。“可是，变频器里却不能用 形滤波。”1.1 变频器不用 形滤波“为什么呢？”小孙真还没有想到过这样的问题，不觉来了精神。（a）低压整流滤波电路 （b）变频器整流滤波电路图 1-2 整流和滤波电路“其实，你只要比较一下这两种整流滤波电路的区别就明白了。”张老师说着，随手就画出了两个整流滤波电路，如图 1-2。然后说：“瞧， 形滤波在电路里要串联一个电感 或电阻 的。不管串LR联什么，它总要产生一个电压降 ，使后面的电

3、压 比前面的电压 小一U2DU1DU点。这在低压电路里是没有关系的，如果觉得 太小了，你可以在设计变压器时适当提高一点副方电压就可以了。”“啊，我知道了。”小孙如梦初醒：“变频器前面没有变压器，不可能提高电压。可是，稍微有一点电压降不行吗？”“不行！”张老师斩钉截铁地说。“因为变频器要求后面逆变出来的三相交流电，在 时的电压能够和前面的电源电压一般大。要是直流电压减小了50Hz的话，逆变出来的三相交流电压，在 时就达不到 了。那人家就会说，50Hz380V你这个变频器不行，电压不够。所以，变频器里只能用电容器滤波。”“好像是用两组电容器串联起来的，为什么呢？”小孙来了兴趣，努力思索着要主动地问

4、一些问题。“那是生产水平的问题。迄今为止，全世界生产的电解电容器的最高耐压，只有 500v，而 全波整流后的峰值电压是 。按照国家规定，电源电压380V537V的允许上限误差是 ，即 ，全波整流后的峰值电压是 。此外，+1%48591变频器在运行过程中允许的最高直流电压可达（700800）V ，而在逆变的过渡过程中，瞬间的直流电压甚至可能高达 呢。所以，只能用两组电容器10V串联来解决。”张老师回答说。1.2 均压电阻的学问“还有，我曾打开变频器看过。每个电容器旁边，都并联一个电阻，好像叫均压电阻。可它们的电阻值很大，约为几十 ，而瓦数却不大，好像只有k左右，它们能起到均压作用吗？”小孙显露出

5、一副疑惑的神情。10W“那就让我们来看看吧。”张老师随手又画了一个图，如图 1-3。接着说：“图中，电容器 的充电回路由 和 构成； 的充电回路由 和1C1C2R22C构成。1CR和 的电阻值是相等的：2 12如果两个电容器组的电容量有差异，假设： 12则两个电容器组上的电压分配必不相等： CU而两个电容器的充电电流分别是： 12,RRII很明显： 12RI图 1-3 滤波电容的均压电路这样，电容器 上要多充一些电， 就得到了提高。结果是 和 趋2C2CU1CU2向于均衡： 12CU当然，要绝对均衡是不可能的。至于瓦数么，你自己算一算看。”小孙立即拿起笔来，刚要下笔，却又难住了，问：“电压值按

6、多大算呢？”“每个电容器上的平均电压可以按 算。”30V“电阻么，好象是 30 ，这就好算了。”只见小孙在纸上算了起来：k2230(W)UPR“哟，还绰绰有余呢。”小孙说，“我以前总喜欢估计一个大概数据，很少具体计算。看起来，以后还是要算一算的好。1.3 限流电阻的作用还有一个问题，那个冒烟的电阻是在整流桥和滤波电容之间的，这在低压整流电路里是没有的。它起什么作用呢？”图 1-4 整流电路的合闸“就整流和滤波的基本过程而言，低压和高压是相同的。”张老师又画了个整流滤波电路，如图 1-4。接着说：“问题的关键，是合上电源前，电容器上是没有电荷的，电压为 0V，而电容器两端的电压又是不能突变的。就

7、是说，在合闸瞬间，整流桥两端（P、N 之间）相当于短路。因此，在合上电源时，就出现了两个问题：第一个问题，是有很大的冲击电流，如图中的曲线，这有可能损坏整流管。第二个问题，是进线处的电压将瞬间下降到 0V，如图中之曲线 所示。这两个特点，高、低压整流电路完全一样。”张老师又画了起来，如图15。（a ）低压整流电路（b）高压整流电路（c ）限流电路图 1-5 高、低压整流电路的区别接着说：“瞧，低压整流电路是要通过变压器来降压的。变压器的绕组是一个大电感，它犹如一个屏障，能对合闸时的冲击电流起到限制作用，如图（a）中的曲线 。而变频器的整流电路中，就没有这样的屏障，冲击电流就要严重得多，如图（b

8、）中之曲线所示。至于进线侧的电压波形，其实，在低压整流电路中，变压器的副方电压，也同样要瞬间降到 0V 的，如图（a）中之曲线。但反映到变压器的原方，这样的瞬间降压，就被缓冲了，如图（a）中之曲线 ，对同一网络中的其他设备不构成干扰。变频器整流电路中没有这样的缓冲，它进线电压就是电网电压。所以，在合闸瞬间，电网电压要降到 0V，这将影响同一网络中其他设备的正常工作，通常称之为干扰。所以，在整流桥和滤波电容之间，就需要接入一个限流电阻 。至于它的LR原理，你该是明白的吧？”“我来试试看吧，”小孙鼓足了勇气，说：“接入了限流电阻后，非但减小了通电时的冲击电流。并且，瞬间的电压降，也都降到限流电阻上

9、了，电源侧的电压波形也解决了，真是一举两得啊。等到电容器上的电压上升到一定程度时，再把限流电阻短路掉，对吧？可是”张老师正想夸赞小孙几句，没想到他又来了个“可是”，于是他耐心地等着小孙的下文。“我曾经查看过几台变频器，发现短路器件（晶闸管或接触器）的大小是随变频器的容量而变的，但限流电阻的阻值和容量却差别不大，这是怎么回事呢？”“说得好，也问得好。”张老师高兴地夸赞了小孙几句。“我们通过具体例子来说明。”张老师一边说，一边画出了图 1-6。图 1-6 限流电路里的电流然后说：“我们分开来说吧。一、先看限流电阻 。LR严格地说，容量大的变频器里，整流管的允许电流也较大。滤波电容的容量也要大一些，

10、限流电阻的阻值应该小一些，而容量（瓦数）应该大一些。但是，让我们举一个例子来看一下。假设所选用限流电阻的阻值 50 ，那么，LR即使电源电压等于振幅值 ，最大的冲击电流是多大呢？238057VLmU”“只有 10A 多一点。”小孙说。“还有，假设滤波电容的电容量是 5000uF，充电时间有多长呢？”小孙很快算了起来： 5020us50.2sLTRC“只有 0.25s。”小孙抬起头来，说。“那是充电时间常数，充电时间应该是它的 3 倍到 5 倍。”张老师更正说。“就是说，充电时间大约是 0.75s 到 1.25s 之间，笼统一点说，是 1s 左右吧。这样的充电电流，和这样的充电时间，对于大多数规

11、格的变频器来说，都是可以接受的吧？所以，生产厂家为了减少另部件的种类，采取了多种规格的变频器选用同一规格限流电阻的做法。至于电阻的容量（瓦数），因为 中通电流的时间很短，只有 1s，真正达LR到 10A 的时间更短。所以，一般说来，容量只要不小于 20W 就可以了。再看旁路接触器 KM。还是用具体例子来说明吧。假设电动机容量是 7.5kW，15.4A。配用变频器的容量是 13kVA，18A。一般说来，直流回路的容量和变频器的输入容量应该是相等的，当电源电压是 380V 时，直流电压的平均值是 513V，那么，直流电流应该有多大呢？”张老师看着小孙，问。小孙会意，马上在纸上算了起来： 13025

12、(A)DPIU“那就只有选标称值为 30A 的接触器了。”小孙不假思索说。“要动动脑筋么。你想，这里用接触器的几个触点呀？”“啊，”小孙拍着自己的脑袋说，“接触器的三个触点是可以并联起来用的，那就只要 10A 的接触器就可以了。”张老师微笑着点了点头，又补充说：“不过，要是用晶闸管的话，还是要用 30A 的。”张老师略顿了顿，接着又问：“那么，要是电动机容量是75kW，139.7A 。配用变频器的容量是 114kVA，150A 。该配用多大的接触器呢？”这回小孙心里有底了，他很快地算了起来： 1402(A)53DPIU“应该选额定电流为 80A 的接触器。”小孙肯定地说。“所以，你刚才提的问题

13、不就解决了嘛。”张老师笑嘻嘻地说。“可是，限流电阻为什么会冒烟，并且烧断呢？”小孙问。“就我所接触到的情况而言，烧断限流电阻的原因可能有三种。”张老师说。（a） （b） （c ）F80C=10uLR、 F40C=10uLR、F4=2uL、图 1-7 限流电阻的充电电流“第一种可能，是限流电阻的容量选小了。因为在限流电阻中通入的电流是按指数规律衰减的，且持续时间很短，如图 1-7 所示。所以，其容量可以选得小一些。为了降低元器件成本，有的变频器生产厂家在决定限流电阻的容量时，常常取较小值。但实际上，流经限流电阻的电流 是和限流电阻的阻值RI以及滤波电容器的电容量 有关的。比较图（a）和图（b）知

14、： 大，则LRFCL电流的初始值较小，但电流的持续时间长。比较图（b）和图（c）知： 大，FC电流的持续时间将延长。所以，严格地说， 的容量大小也应该根据具体情况L适当调整。但如前所说，用户对滤波电容器的充电过程并无严格的要求。所以，对 的阻值和容量也并无明确的规定。一般说来，如选 ， 是LR 50LRWRP不会有问题的。第二种可能，是滤波电容器变质了。凡是有电解质的器件，都有一个特点：你一直用它，它不容易坏。你总也不用它，它倒要坏了。你那台变频器在仓库里存放了一年多才拿出来，你应该先打开盖观察一下滤波电容器，看它是否“鼓包”？甚至是否有电解液漏出？电解电容器变质的特征，首先是漏电流增大。一台

15、长时间不用的变频器，突然加上高电压，电解电容器的漏电流可能是相当大的。你第一次合上电源时，变频器内冒烟，很可能就是电解电容器严重漏电，甚至已经短路。而直流电压难以充电到 450V 以上，短路器件不动作，限流电阻长时间接在电路里，它当然要冒烟、烧断了。”“那，变频器在仓库里时间放长了，就报废了？”小孙感到疑惑。“当然不是。长时间不用的电解电容器，通电时，应该先加约 50%的额定电压，加压时间应在半小时以上，如图 1-8 所示。它的漏电流就会降下去，也就可以正常使用了。图 1-8 长期存放电容器的复原所以，你回去以后，先用万用表测量一下电容器是否短路。如并未短路，外观上也没有异常，则如图那样，通电

16、半小时以后，电容器将可以恢复。”“太好了！”小孙高兴地说。接着又问：“您说，电阻冒烟还有另一种可能性？”小孙接着问。“第三种可能，就是旁路接触器 KM 或晶闸管没有动作。结果，使限流电阻长时间接在电路里。”“那，怎么来判断旁路接触器或晶闸管是否动作了呢？”小孙问。“旁路器件应该在滤波电容器已经充电到一定程度（例如，电压已经超过450V）时动作。因此，你可以在确认滤波电容器完好的情况下，通电时，观察当直流电压 上升到足够大时，旁路器件是否动作？DU具体方法之一，是在限流电阻两端并联一个电压表 ，同时在滤波电容1PV两端也接一个电压表 ，再将两个串联的灯泡也接到滤波电容的两端，作为2PV负载，如图

17、 19。（a）原理图（b）外部接线图图 1-9 旁路器件的动作检查通电后，如果 显示 已经足够大，但 的读数并不为 0V，就说明旁2PVDU1PV路器件并未动作。”“为什么要接两个灯泡呢？”小孙问。“那是为直流电路接一点负载。要是没有负载的话，限流电阻内将没有电流，即使短路器件未动作，限流电阻上也量不出电压呀。”“还有一个问题，”小孙拿了一张纸，画了起来，然后问：“我发现在滤波电容器两端，还并联了一个 0.33uF 的小电容，如图 110 中和 所示，是为0C什么？”图 1-10 抗干扰电容因为电解电容具有一定的电感性质，它不能吸收时间很短的干扰电压，容易导致“过电压跳闸”的误动作。电容器 就

18、是用来吸收干扰电压的。0C1.4 主控板上的电源指示灯“还有，我发现在主控板上有一个电源指示灯，为什么把它放在机箱里面，而不放在控制面板上呢？”小孙问。“那么，你每次开机时，怎么知道变频器是否通电？”张老师反问。“我是看变频器的显示屏上是否有显示。”“是啊，显示屏已经显示了通电与否，要是再把里面这个指示灯也放到面板上，岂非叠床架屋了？”张老师说着，随手又画了个图 1-11。图 1-11 直流指示“其实，里面的这个指示灯，主要不是显示变频器是否通电，而是显示变频器断电后，滤波电容器上的电荷有没有放完，它是为你的人身安全而设置的。就是说，当变频器发生了故障，你打开机箱，想要看看里面的零、部件是否发

19、生问题时，虽然变频器已经断了电，但如果滤波电容器上的电荷没有放完的话，将是很危险的。所以，千万注意，一定要在指示灯完全熄灭后，才能用手去触摸里面的元器件。小孙觉得，张老师的讲解深入浅出，使自己对问题的理解变得清晰起来。于是，他大着胆子说：“老师，我能不能交点学费，拜您为师，系统地学一学变频器的知识？”“你不已经叫我老师了么？学费是断不能收的。其实，我也是有收获的。我年纪大了，已经不再有到现场处理问题的机会了。你给我带来了现场的工况，我也是有提高的。你想系统地学，当然很好，但要坚持学下去，可也不容易呢。我反正是退休老头一个，整天赋闲在家，你什么时候想来，只要事先通个电话，我在家恭候就是了。”张老

20、师的话，使小孙感到暖暖地。只见张老师呷了一口茶，说道：“既然你想系统地学，那接下来就该讨论逆变电路了，你回去先预习一下吧。”1.5 小孙的笔记变频器因为输入侧直接接电网，所以，它的整流滤波电路就有了许多不同于低压电路的特点：（1）它的滤波电路不允许有电压降，所以不能用 形滤波。（2）滤波电路由两组电容器串联而成，为了使两组电容器的电压分配均衡，必须在电容器旁并联均压电阻。（3）在整流桥和滤波电容器之间，设置了限流电路，以限制刚合上电源时的冲击电流。（4）变频器内部控制板上的指示灯，主要是在停电时，显示滤波电容器上的电荷是否释放完毕而设置的，目的是保护人身安全。小孙学变频第一讲 变频器的主电路（

21、二）http:/ 逆变电路过了一个星期，小孙又到张老师家去了。“逆变电路预习过了？有问题吗？”张老师和蔼地问。“大体的轮廓，好象知道了。但要深究起来，却还是感到模模糊糊地。首先，对逆变用的 IGBT 管就不大熟悉。”小孙说。2.1 IGBT 管的特点“那我们就先从 IGBT 管说起吧。”这一次，张老师已经事先画好了许多的图，随手拿出了一张，如图 112。（a ）晶体管 （b）场效应管 （c）IGBT图 1-12 IGBT 管的构成“IGBT 管也叫绝缘栅晶体管，它是晶体管和绝缘栅场效应管的组合。图（a）是三极晶体管，它的三个极分别是：集电极 C、发射极 E 和基极B。它的特点是集电极电流 的大

22、小取决于基极电流 ，故称为电流控制器件。CI BI图（b）是绝缘栅场效应管，它的三个极分别是：漏极 D、源极 S 和栅极G。栅极和源极之间是绝缘的。它的工作特点是漏极电流 的大小取决于栅极I和源极之间的电压 ，故称为电压控制器件。GSU再看图（c）所示的 IGBT 管，它的主体部分和晶体管相同，也是集电极 C和发射极 E；控制部分却是绝缘栅结构，通常称为控制极 G。集电极电流 的I大小取决于控制极与发射极之间的电压 。所以，也是电压控制器件。”GEU“和大功率晶体管 GTR 相比，IGBT 管主要有哪些优点呢？”小孙问。“首先，IGBT 管允许的开关频率比 GTR 高一个数量级。GTR 的最高

23、开关频率只有 2kHz，而 IGBT 可达 20kHz。其次，很明显的是，它的控制极的功耗要比 GTR 的基极功耗小得多。这是主要的，其他也还有一些优点，就不详细说了。”“这 IGBT 管是作为开关用的吧？”小孙问。（a）饱和导通状态（b）截止状态图 1-13 IGBT 管的工作状态“是的。”张老师又找出了一张图，如图 1-13。接着说：“IGBT 管和其他三极管一样，也有三种状态：截止状态、放大状态和饱和导通状态。而我们只用它的截止状态和饱和导通状态：图（a）所示，是饱和导通状态，犹如开关处于闭合状态；图（b）所示，是截止状态，犹如开关处于断开状态。”“我用万用表量了一下，怎么觉得它有点像晶

24、闸管呢？”小孙说完，从皮包里拿出了 IGBT 管模块、万用表、电池等器件，看样子，他是有备而来的。“哦？你是怎么量的？”张老师颇感兴趣地问。（a）GE 接电池 （b）拿掉电池 （c）接入电阻图 1-14 IGBT 管的粗测“您瞧，”小孙一边画了个图 1-14，一边演示起来。“当电池的端接 G 极，端接 E 极，如图（a）所示时，IGBT 管是导通的。可是，我把电池拿掉后，IGBT 管仍然是通的，如图（b）所示。这不和晶闸管差不多么？”“你给我拿一个电阻来，阻值不限。”张老师伸出手说。小孙从包里找出一个 10 的电阻递给了老张，只见老张把那个电阻往kG、E 间一接，万用表的显示立刻就指向“”了。

25、然后说：“因为 IGBT 管的 G、E 间是绝缘的，所以，你方才把电池拿掉时，G 极上的电荷不能释放，所以，IGBT 管保持着导通的状态。在 G、E 间接入了一个电阻后，G 极上的电荷很快释放掉了，你所谓的晶闸管现象也就不存在了。”“原来是这样。”小孙高兴地说，接着又问：“它是怎样把直流电逆变成交流电的呢？”2.2 直流电怎样变成交流电？先从简单一点的单相逆变桥说起吧，”张老师又找出了一张图，如图 1-15，然后说：“用 4 个 IGBT 管组成一个桥形电路， 是负载，如图（a）所示。首先LZ让 、 导通， 、 截止。这时候的电流如红色箭头所示：从电源正极1V234VP（）出发，经 后流经负载

26、 ，又经 流向电源负极 N（）。注意：当1L3V它流经负载时，是从 a 端流向 b 端的。我们把这种情况下的电压作为 的正方abU向，即 为 ，幅值等于直流电压 ，其电压波形如图（b）中时间段abUDU所示。10t（a）v1、v2 导通（b）v3、v4 导通图 1-15 单相逆变桥然后，又让 、 导通， 、 截止。这时候的电流如蓝色箭头所示：从3V412VP（）出发，经 后流经负载 ，又经 流向 N（）。当它流经负载时，LZ4是从 b 端流向 a 端的。所以， 为，幅值也等于直流电压 ，电压波abUDU形如图（b）中时间段 所示。12t让 、 为一组， 、 为另一组，并让它们不断地交替导通和截

27、止，则1V23V4负载中流过的，便是交变电流了。”（a）电路结构（b）各管的导通规律图 1-16 三相逆变桥“啊，我明白了。”小孙从老张的图纸里找出了一张如图 1-16。说：“这 6 个 IGBT 管就组成了三相逆变桥，如图（a）所示，只要各相之间互差三分之一周期（t3）就可以了，如图（b）。可是，怎么实施呢？ ”“找出规律呀。”张老师指着图上说：“在第 1 个 t6 内，令 、 、1V6导通、第 2 个 t6 内，令 、 、 导通、 ，以此类推就可以了。”5V1V62“在实际的逆变模块中，为什么每个 IGBT 管旁边，都要反并联一个二极管呢？”小孙问。为什么要反并联二极管？“要说清楚这个问题

28、，需要先复习一下电工基础的知识。”张老师说着，又从预备好的图纸中找出了一张电阻、电感电路图，如图 1-17。（a ）R、L 电路 （b）电压电流曲线图 1-17 电阻、电感电路“图（a）是一个 R、L 电路，图（b）是电路内电压与电流的瞬时值曲线。我们知道，在 R、L 电路内，电流是比电压滞后 角的。时间段内，电压为，而电流为（图（b）中的 A 区），10t说明电流和电压是反方向的，如图（a）中的蓝色箭头所示。这时候的电流，是自感电动势克服电源电压的结果，是磁场在作功。而在 时间段内，电压和电流都为（图（b）中的 B 区），说明12t电流和电压是同方向的，如图（a）中的红色箭头所示。这时候的电

29、流，是电源电压克服自感电动势的结果，是电源在作功。就是说，R、L 电路在工作过程中，存在着电源和磁场之间不断地交换能量的过程。当然，因为不是纯电感电路，所以，总的来说，B 区比 A 区大一些，电源所做的功要多一些。 ”“您是说，电动机在工作时，也要和电源交换能量？”小孙似有所悟。“因为电动机的定子绕组也是一个 R、L 电路呀。让我们看仔细一点， ”张老师又拿出了一张图，如图 1-18。图 1-18 变频器的输出电路“和直流电源交换能量？”尽管小孙已经肯定了这个谜底，但一想起直流电源的电压是不变的，总觉得有点难以理解。“说得更明确一点，是和直流电路里的滤波电容之间进行充、放电啊。”张老师笑嘻嘻地

30、说。“您是说，电动机的定子绕组也要对滤波电容充、放电？”小孙已经有点明白了，但因为总也没有这样思考过，总觉得不大有把握似地。“为什么不呢？不过在这里，要事先说明一下，变频器的输出电压里，是有一些谐波分量的，我们这里，只看它的基波分量。当电流与电压反方向（如图中的 A 区所示）时，实际上是电动机的反电动势在向滤波电容充电。但是，IGBT 管是只能单方向导电的，所以，必须要为充电电流提供一条路径，这就是反向二极管的作用。充电电流的路径如图中的蓝色箭头所示。当电流和电压同方向（如图中的 B 区所示）时，则是滤波电容通过 IGBT 管向电动机绕组放电的过程，放电电流的路径如图中的红色箭头所示。”“原来

31、是这样。”小孙赶紧在笔记本上记录了起来。等小孙记录完毕，张老师说：“对于变频器主电路结构的讨论，恐怕可以告一段落了。接下来要讨论的是主电路里的运行数据了，如输出电压和电流、输入电流等等，你先回去预习吧。”2.3 小孙的笔记1直流电逆变成交流电的基本方法，是使几个开关器件不断地按照一定的规律交替导通的结果。2目前在低压变频器中，普遍采用的是 IGBT 管，它的主体部分和晶体管相同，也有集电极和发射极。而它的控制极却和绝缘栅场效应管类似，称为控制极。3电动机定子的等效电路是电阻电感电路，它和直流电路之间，存在着能量交换的过程。具体地说，要对滤波电容器进行充放电。为此，在每个 IGBT管旁边，都必须

32、反并联二极管，为电动机绕组向滤波电容器充电提供通路。小孙学变频第一讲 变频器的主电路（三）http:/ 变频器的逆变器件-IGBT 管小孙对于低压电子技术是比较熟悉的，但对于变频器用的 IGBT 管，总觉得还了解得不大深入，这天晚上，他专门准备了一些关于 IGBT 管的问题，来向张老师请教。3.1 IGBT 管的主要参数“首先，IGBT 管 C、E 间的额定电压和漏电流，为什么有 和 ，CEOUX以及 和 的区别？ ”CEOIX因为事先已经通了电话，张老师已经准备好不少图纸了。只见他拿出了图1-19，说： “在变频器里，IGBT 管是用来作为开关器件的。具体地说，是利用它的饱和导通和截止这两种

33、状态。为了使这两种状态能够比较地可靠，在饱和导通时，应该尽量加大 G、E 间的驱动电压，而在截止时，通常在 G、E 间加入反向电压。当然，如果并非用在开关状态的话，G 、E 间的反向电压是没有必要的。于是，IGBT 就有两种截止状态：G、E 间不加反向电压和加入反向电压。图 1-19（a）所示是 0v 时的情况，额定电压和漏电流分别是 和 ；UCEOUI图 1-19（b）所示是 5v 时的情况，额定电压和漏电流分别是 和X。 ”CEXI（a）Uge=0V（b）Uge=-5V图 1-19 IGBT 的额定电压和漏电流“我查了一下资料，发现 IGBT 管在饱和导通时的管压降达 3.3V，有的甚至还

34、要大呢。这和低压开关管的饱和压降 0.3V 比较起来，大了 10 倍还多呢。”小孙说。“太大了，是不是？”张老师反问了一句，他拿出了两本手册，说：“让我们用数据来说话吧。”接着他又在纸上画了起来，如图 1-20 所示。然后说：“3DK4 是低压开关管中比较大的一种，它的额定集电极电流是 800mA，也就是 0.8A，饱和压降如你所说，是 0.3V；2MB1200N 是一种不算很大的IGBT 管，其额定集电极电流是 200A，饱和压降是 3.3V。你来算一算这两种管子在饱和导通时的等效电阻吧。”（a）开关晶体管（b）IGBT 管图 1-20 晶体管和 IGBT 的饱和压降小孙于是在纸上演算了起来

35、：3DK4 开关管：集电极电流： 0.8A；CI饱和压降： 0.3V。ESU饱和导通时的等效电阻： 0.375()8CESURI2MB1200N 型 IGBT 管：集电极电流： 200A；CI饱和压降： 3.3V。ESU饱和导通时的等效电阻： 3.0165()2CESURI“没想到，IGBT 管在饱和导通时的等效电阻要小得多呢。”小孙抬起头来，说。接着又问：“IGBT 管还有哪些重要参数？”“作为一个开关器件，很重要的一件事情，就是它的开关速度了。具体地说，就是开通时间 和关断时间 。1 秒=1000 毫秒 1 毫秒=1000 微秒 ONTOFT拿方才举例的 2MB1200N 型 IGBT 管

36、来说，它的数据是： 1.2us ，ONT 1.5us。需要注意的是，环境温度升高，或者集电极电流增大，都会使开OFT通时间和关断时间有所延长。”“IGBT 管的功耗怎样？”小孙又问。“IGBT 管的功耗主要有三个部分：第一个部分叫作通态功耗 ，粗略地说，它就等于集电极电流与饱和压降SP的乘积： SCESPIU式中， 通态损耗，W；集电极电流，A；饱和压降，V。CES第二个部分，IGBT 管每开关一次，都会消耗一定的功率，称为开关损耗，具体地，则有开通损耗 和关断损耗 ，它们和集电极电流以及温度之间的ONPOFP关系如图 1-21 所示。由图可知：（1）集电极电流越大，开关损耗越大；（2）温度越

37、高，开关损耗也越大。（a）开通损耗（b）关断损耗图 1-21 IGBT 的开关损耗第三个部分，是和 IGBT 反并联的续流二极管的功耗 。 的大小与通过DP续流二极管的平均电流 成正比。”DI3.2 IGBT 管的驱动电路“IGBT 管的驱动电路有什么要求和特点？”小孙又问。“好吧，先说说对驱动电路的主要要求。首先，是对驱动电压的要求：（1）正向电压的大小，直接影响着 IGBT 的饱和压降 ， 越大， 就越小。GEUCESUGCESU但在负载侧发生短路时，IGBT 承受短路电流的能力将越差。所以， 并不是G越大越好。通常，选 15V10%。GEU（2）反向电压反向电压的作用，一是缩短关断时间；

38、二是万一在 G、E 间出现干扰信号，也能保证 IGBT 处于截止状态。但太大了也会产生副作用，如不利于下一次IGBT 管的迅速导通等。通常，选 105v。CERU其次，是对控制极电阻的要求。在驱动模块和 IGBT 的控制极之间，是需要接入控制极电阻 的，如图 1-22（a）所示。而 的大小，将直接影响着G GERIGBT 的开通时间和关断时间，如图 1-22（b）所示。（ a）控制极电阻（b）rge 的影响图 1-22 控制极电阻的影响通常，选 100500 。”GER“现在，驱动模块的品种繁多，有没有一个共同的框图？”小孙接着问。有一种 exb 系列的驱动模块，其框图如图 1-23（a）所示

39、。（a ）exb 模块框图 （b）控制电压 GEU图 1-23 IGBT 的驱动电路工作电源施加于号脚和号脚之间：号脚为20v，号脚为 0v。在号脚和号脚之间，又有一个由 和 构成的稳压电路，稳压值为5v，1RDW接到号脚，并与 IGBT 的 E 极相接。控制信号从脚输入。当间有输入信号时，经放大后的 A 点处于高电位，使 导通，01V截止， 号脚的工作电压经 到号脚，并输出到 IGBT 的 G 极，使 G 极02V01V电位为20v。因为 E 极已经和号脚的5v 相接，所以， 15v。EU当间的输入信号为 0 时，a 点变成低电位，使 截止， 导通，0102号脚经 与工作电源的 0v 相接，

40、对于 IGBT 来说，G 极为 0v，E 极为025v， 5v。如图 1-23（b）所示。”GEU“我曾仔细看了一下，发现六个驱动电路好象不大一样？”小孙不大有把握地问。“你瞧，”张老师边拿出了图 1-24，边说：“下面的三个驱动电路，都和直流的负极相接。所以，它们就可以共用一个驱动电源。可上面的三个驱动电路呢，它们分别和 U 相、V 相和 W 相相接，要是共电源的话，岂不把输出的三相短路了？所以上面的三个驱动电路只能单独供电，且相互之间必须可靠绝缘。”图 1-24 驱动电路的电源“驱动电路的好坏，能不能用万用表粗测？”小孙问。“当然可以，如图 125 所示。但是，在不掌握确切数据的情况下，只

41、能采取对六个模块的输入侧和输出侧进行比较的办法来进行判断。”图 1-25 驱动电路的粗测“难道就没有办法对一块单独的驱动电路进行测试么？”小孙穷追不舍地问。“办法总是有的，”张老师找出了图 1-26，接着说：“仍以 exb 为例，用一个 20V 的稳压电源，接到号脚和号脚之间。在驱动电路的输入侧通入测试电流 ，测试电流的大小应该在 410mA 之间，测试电流由转换开关 SA 控HI制。在号脚和号脚之间，接入电压表，以测量其输入到 IGBT 的 G、E 之间的电压。你能不能试着分析一下？”图 1-26 驱动电路的测试“试试看吧，”小孙点点头，把图拿到了自己身边，然后说：“当把 SA闭合时，测试电

42、流 流入输入端，A 点应该是 电位， 导通， 截止，HI 01V02电压表上应该是 15V；当断开 SA 时，流入输入端的测试电流为 0A，A 点应该是电位， 截止， 导通，电压表上应该是 -5v。对不对？”01V02张老师满意地点了点头。3.3 IGBT 管的保护“图中的过电流保护，是什么保护？”小孙指着图，问。“驱动电路里的过电流保护，实际上主要是短路保护。一般的过电流保护，是根据实测电流和基准电流进行比较的结果来实现保护的。图 1-27 驱动电路中的短路保护短路保护的基本思路，是通过 IGBT 管的饱和压降的大小，来判断其集电极电流是否太大。如图 1-27 所示，二极管 用于阻隔当 IG

43、BT 截止时，集电极1D上的高电压。正常情况下，当 IGBT 导通时，S 点的采样电压等于：1SECSDUR 点是参考点，R 点的电压称为参考电压，或基准电压 ，略大于 IGBTSU在额定电流下正常运行时的采样电压。所以，在正常情况下，有： SRU当发生短路时，IGBT 的饱和压降 uces 迅速上升，采样电压 us 也随之上升，使： SRU经运算放大器比较和放大，又经保护锁定电路后，将 A 点电位锁定在低电位，迫使 IGBT 管迅速截止。”小孙看了看笔记本上记录的问题，接着问：“还有，IGBT 管旁边，好象还有一个缓冲电路，是不是也是保护 IGBT 管的？”“是的，缓冲电路也叫吸收电路，主要

44、是吸收 IGBT 管从饱和导通到截止过程中的电压变化率的。如图 1-28，IGBT 管从饱和导通（图（a ）到截止（图（b）的过程中，C-E 间的电压在 3us 左右的时间内，从 3v 迅速地上升到 530v，电压变化率是很高的，如图（c）所示。这样大的电压变化率，很容易通过集电极和控dut制极之间的结电容 串入 控制极，导致 IGBT 管的误动作，甚至损坏0CIGBT 管。（a ）饱和导通状态（b）截止状态（c ）电压变化率图 1-28 IGBT 管在截止过程中的电压变化率那么，怎样来吸收这么大的电压变化率呢？我们首先想到的当然是电容了，如图 1-29（a）所示。由于电容器 两端的电压不能跃

45、变，就减缓了 C、E 间01C的电压上升率。电容器最终充入了 530V 的高电压。但是，当 IGBT 管从截止变为饱和导通时，电容器上的高电压将通过 IGBT管放电。可以想象，这瞬间的放电电流是非常大的，这很大的放电电流叠加到IGBT 管的负载电流上，IGBT 管怎么能承受得了？为了把放电电流限制在允许范围内，在放电回路内串联了限流电阻 ，如图 1-29（b）所示。01R（ a）接入吸收电容（b）串联限流电阻（c ）并联二极管图 1-29 IGBT 管的缓冲电路然而，这限流电阻在限制放电电流的同时，也使电容器失去了吸收电压变化率的作用。为了使电容器仍能发挥吸收电压变化率的作用，在 旁边，又并0

46、1R联了一个箝位二极管 ，如图 129（c ）所示。 在 IGBT 管截止过程中，01VD01VD使 C、 E 间的电压基本上与 上的电压相等；而在 IGBT 管转为饱和导通的过C程中，又不影响 的限流作用。01R图 1-29（c）所示，是比较完整的缓冲电路。在一些容量较小的变频器中，常常有所简化。”3.4 IGBT 管的并联“还有，”小孙瞧着他的笔记本，继续问道：“我发现在大容量变频器中，常常有几个 IGBT 管并联的情形，IGBT 管容易并联么？”“当然不容易。（1）IGBT 管并联的基本要求a、在饱和导通时，两管的集电极电流和饱和压降都应该相等。b、两管的开关过程应该均衡。（2）具体措施a、应选择封装结构相同的 IGBT 管，最好是同一批次的管子。b、应该共用一个驱动电路，其接线如图 1-30 所示。图 1-30 IGBT 管的并联c、安装和接线的布局力求对称。d、并联后的额定电流应适当降低，一般应降低 1520%。例如，两个100a 的 IGBT 管并联后的额定电流大约为 160170a 左右。”小孙学变频第一讲 变频器的主电路（四）http:/