大功率变频装置主电路_大功率变频器驱动电路

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大功率变频装置主电路

主电路功率器件上的电流大。如果不考虑高电压的问题，大功率变频装置的输入电压和输出电压额定值通常为三相交流380V的电压，与小功率的一样，但由于功率较大，所以主电路中的电流很大，可达到数十安到数百安，这就给电路拓扑的选择、电路元器件的选择带 来了很多特殊问题。诸如直流母线的选择、吸收电路的选择，以及电路的耗散功率大，散热问题严重、可靠性要求高。需要完善的自保护和负载保护功能等。

控制功能的不断增加。所有控制方法的最终目的应该是保证负载电机按设定转速，设定转矩运行。有速度传感器的PID调节，矢量控制，直接转矩控制以及现代控制理论的应用。还有涉及到变频器本身的死区补偿。空间矢量调制等细节性的算法等。1变频器主电路的选择

1．1在主电路方案的选择中需要考虑的因素

(1)性能价格比的提高。在三相变频器中采用软开关技术，一个最重要的目的就在于通过提高功率开关器件的开关频率来改善变频器的输出性能，但是．为了实现软开关技术，需要在传统的硬开关技术变频器电路中增加由谐振电感和辅助开关构成的辅助谐振网络。

(2)控制方式的简化。在三相软开关技术变频器 中，增加了辅助开关，必然要为这些辅助开关设计控制电路，还需要按照一定的逻辑来实现。这种控制逻辑的复杂程度直接取决于主电路拓扑结构的选择。

(3)微控制器的可实现性。在现有的变频器中，控制器大多采用16位的CPU单片机．虽然其运算速度越来越快，但由于微处理器的硬件资源有限，所以。在软开关逆变器主电路的设计中．辅助开关的数量选择也是一个需要考虑的问题。

(4)控制逻辑的实用性。随着电力电子技术和微电子技术的发展．功率开关器件的制造成本在大幅度地降低，微处理器的处理能力和硬件资源也得到了很大的发展，所以．对零电压过渡三相PWM逆变器的电路拓朴的设计思想也在发生着转变。改变了原来的只是尽量减 少辅助开关数量以达到控制电路简单的想法。继而向着控制逻辑简单，易于实现，具有实用化价值的方向发展。

本文中零电压过渡三相PWM软开关技术变频器主电路ZVT-PWM，如图1所示。

在该电路中，对于每相桥臂。增加一组谐振元器件：一个单向导通开关，一个谐振电感和一个阻断或导通的二极管。这种电路相对于谐振直流环节变频器结构来说，虽然对于每一相都需要一个辅助开关，但这个辅助开关的功率却只有主开关的几分之一。这是由于辅助 开关的导通比很小。考虑到开关频率和谐振电感的设计。通常只有主开关体积的1／10左右。1．2零电压过渡软开关技术变频器主电路

(1)零电压过渡软开关技术在一定程度上借鉴了零电压过渡DC／DC变换器的思想，就是仅解决功率开关器件关断时的零电压条件，而功率开关器件的关断过程还是依靠在功率开关器件两端并接吸收电容的方法来控制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压，以此来减少功率开关器件的关断损耗。但在功率开关器件开通

时，零电压条件的产生也和该吸收电容有关，此时的吸收电容成为谐振电路中一个很重要的谐振元件。

(2)零电压过渡软开关技术的最明显特点是减小了功率开关器件的开关损耗，而开关损耗在硬开关技术逆变器中的直接表现就是功率开关器件的发热。所以，要合理地设计为功率开关器件散热而使用的散热器。

1．3功率开关器件类型和参数的选择

功率开关器件类型的选择应该根据变频器容量和对体积重量的要求来确定，还要考虑开关频率，制造成本等多方面的要求。把MOS技术引入功率半导体器件带来了一系列应用上的优点。令人特别关注的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。它已开始并在工业类、消费类和军用类电力电子系统中产生了重要的影响。随着IGBT在20kHz的硬开关中的应用以及频率更高的软开关中的应用，人们期待IGBT模块能够在许多应用领域中取代MOSFET模块和双极型达林顿模块。IGBT已在1—10kHz这个以前由双极型晶体管占主导地位的，功率高达1000kW的中低频领域中得到应用。

通常情况下，功率开关器件参数的选择应考虑以下几个方面的因素。

(1)功率开关器件额定值的选择。正确选用IGBT有两个关键的因素：一是功率开关器件关断时，在任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处于开关安全工作区的规定之内；二是IGBT工作时的内部结点温度必须始终保持在150℃以下。

(2)功率开关器件的安全工作区(SOA)选择。应用中很重要的一点是防止IGBT因过电压或过电流而引起的损坏或工作的不稳定。

(3)各种降额因素的考虑。由于功率开关器件的实际工作条件同手册中给出的指标的测试条件是不同的，因此，实际使用中功率开关器件能达到的指标同手册中给出的指标相比都会有差别。实际使用中这些指标都会下降。

在实际选择和校验时．首先应该计算出功率开关器件工作时的电压和电流峰值，并根据安全工作区（SOA)来初步选择器件的电压和电流容量，然后根据估算的器件发热功率和最高环境温度估计器件工作时的壳温。再根据壳温来决定降额量。由于降额，可能需要将最初选定的器件容量放大，才能最终决定器件的参数。考虑到工作时的电压、电流的冲击，器件的参数选择应留有充足的裕量。另外，还要考虑IGBT生产厂家有关的生产规格。

根据图1主电路的结构图，功率开关器件选择包括两个部分。

一是开关功率器件S，一S6。相对于传统的硬开关技术逆变器来说．软开关技术变频器中主功率开关器件工作过程中的最大改变就是在零电压条件下开通，由于硬开关技术变频器中也有吸收电路的存在，所以．主功率开关器件的关断过程两者是一样的。另外，主功率开关器件的稳态损耗两者也是一样的。所以，在本文中。对主功率开关器件的选择参考了硬开关技术变频器的选择原则。根据用手册．50kV·A(37kW)变频器的电流有效值为75A，峰值电流为106A。考虑到1．4倍的降额因数，留够2倍的工作裕量，故选定主功率开关器件S。一s6的额定参数为1200V，300A。

二是辅助谐振回路中的辅助功率开关器件Srl一‰。辅助开关的工作时间可以控制得很短，所以，对其功率要求比较小。但通过其中的峰值电流并不小，还要高于主开关功率开关器件S1．s6，对于IGBT来说，无论峰值电流通过的时间长短．其额定电流的选择一定要保证为通过其峰值电流的1．5。2．0倍。但是，在这里可以充分利用IGBT的安全工作区．在安全工作区内，IGBT可以承受至少两倍的额定电流值。且不会对IGBT有任何的损坏。

根据相关文献的分析．辅助开关中通过的最大电流i枷可以表示为：

式中：Ix—广预置电流；I广相电流最大值；i。=FJ v'-ffCS,。在一个主开关的开关周期内，辅助开关中通 过的平均电流i。为： i庐l川2TI 式中：L一辅助谐振回路的谐振周期；’I'．-主开关

器件的开关周期。通过有关参数设计选择，可以使得辅 助开关中通过的平均电流满足： i曩=I搿5％

根据变频器的容量选择以及后面对吸收(谐振)电容

及谐振电感的选择，可以得出I，约为180A，i。大约为 80A，则辅助开关中通过的最大电流i锄约为260A，所以，选择辅助开关srrS．6的额定参数可以为1200V，300A。