專利名稱：改進型高可靠場效應管逆變器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電氣領域中的無源逆變技術。廣泛應用于新能源系統、不停電電源、交流變頻調速等場合。
逆變器是當代電氣領域中最富有生命力的技術。在傳統的逆變器中，為防止主電路中同一橋臂的兩個功率器件“直通”(即兩個功率器件同時導通，引起短路)，電路中設置了一種叫做“先關斷后導通”的邏輯控制，另加上復雜的推動單元。其基本的控制思路是同一橋臂的兩個功率管任何時刻都不允許同時導通。要開通某一功率管，必須先關斷同一橋臂上的另外一只功率管，否則就造成“直通”損壞功率管。在常規的變頻電路中，為了防止主電路的“直通”短路，還要加上一種延時功能－－在關斷一個功率管之后，還要經過一段延時才允許同一橋臂上的另一只功率管導通。由于逆變器的上橋臂各功率管(如圖3中T4、T6、T2)柵極之間的電位變化大，因此常規電路中上橋臂各功率管的柵控電源都使用專用隔離電源、光電耦合器及附加的陡化電路。這樣，不僅使電路變得復雜，而且降低了逆變器的可靠性。國內外現有生產廠家是靠電子器件的高可靠性來保證逆變器的可靠性的，但成本很高。
本實用新型的目的在于利用場效應管及其派生器件的本征特點，用簡單的方法實現“先關斷后導通”的邏輯控制。并恰當地選擇電路參數，消除常規電路中的“過電壓”、“過電流”現象。大幅度地簡化變頻電路，提高其可靠性，降低生產成本。
本實用新型是采用以下技術方案實現的本實用新型的逆變器是利用功率場效應管及其派生器件(IGBT)等設計成的簡化逆變器。其技術實質是利用功率場效應管的柵極與源極之間的寄生結電容及控制功率小、反應速度快的特點，使用少量的電子元器件即能構成高可靠性的逆變器。即用功率場效應管及其派生器件的柵極和源極之間的寄生結電容作為逆變器的先關斷后導通的延時電容，以大幅度地簡化逆變電路。用小功率場效應管實現逆變電路中同一橋臂的兩個主功率管互鎖。主功率管柵極、源極之間的寄生結電容的充電電阻Ri大于其放電電阻Ri′，以起到消除過電壓、過電流的作用。具體電路見

圖1，其特征是逆變主電路下橋臂功率場效應管的柵控信號源Uin中串聯兩只電阻(圖1)R4、R5，R5兩端并聯二極管D1，二極管的導通方向背向功率管的柵極。且滿足以下關系R5≥R4。
逆變器上橋功率管的柵控信號由小功率場效應管T7(圖1)將對應的下橋臂柵控信號Uin倒相后提供，其特征是T7的柵控信號與下橋臂的柵控信號共用一個信號Uin。上橋臂功率管的柵極串聯兩只電阻R1、R2后接柵控電源U2；兩電阻的中點N接小功率場效應管T7的漏極，且R2＞R1。
如圖4所示，功率場效應管及派生器件其柵極與源極之間有一個寄生的結電容Co，該寄生結電容Co對開通與關斷有較大影響。在開關狀態使用時，由于觸發信號源的輸出電阻Ri與寄生結電容Co構成了一個RiCo的時間常數。當外加柵控信號為正時，電容Co兩端電壓(亦即柵極電壓)接指數函數上升，只有當柵極電壓達到了開啟電壓之后，功率管才開始導通。此后，隨著柵壓的升高，功率管從放大區進入飽和導通。功率管在放大區功耗較大，應當盡量減少處于放大區的時間。因此，一般資料上都強調所謂“強觸發”，即盡可能地減小觸發器的輸出電阻，從而減小充放電時間常數。強觸發對提高功率管的開關速度，減小開關耗起到了很好的作用，但也帶來了兩個方面的缺點一是增加了電路的復雜性，降低了電路的可靠性；二是由于強觸發而提高了功率管的開關速度，由此帶來較大的主電路di／dt和du／dt，從而產生“過電壓”和“過電流”。為了減小“過電壓”和“過電流”，又不得不采取相應的保護措施，更增加了電路的復雜性。
本實用新型巧妙地利用功率場效應管的寄生結電容Co，并恰當地選擇寄生結電容的放電電阻Ri′，從而使得寄生結電容的放電時間常數較小，使功率管能較快地關斷。恰當地選擇寄生結電容的充電電阻Ri，使寄生電容的充電時間常數較大。當觸發信號為正時，由于充電時間常數的存在，要等一段時間，使寄生結電容Co上的電壓(柵壓)達到功率管的開啟電壓才導通。這樣就保證了逆變器同一橋臂的兩個功率管有一段交接時間，在這一段交接時間內兩功率管都不導通，從而實現了先關斷后導通的要求。
經認真分析發現功率管每開通一次所消耗的能量與觸發功率有關。但功率管的開關耗除與觸發功率有關外，更重要的是開關耗與開關頻率成正比。功率場效應管的頻率應用范圍甚廣，可以用到幾百千赫。在工頻應用時，由于頻率甚低，因此開關耗微乎其微；省去了“強觸發”不會引起主電路的效率降低。這樣省掉了“強觸發”，也就去除了主電路的“過電壓”、“過電流”的弊病；可以省去電路中的過壓、過流保護，更加提高了電路的可靠性。獲得了一舉數得的功效。
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明圖1是本實用新型的單相逆變器電路圖圖2是本實用新型外加輔助柵控電源的單相逆變器電路圖圖3是本實用新型用于三相異步電動機變頻調速系統電路圖圖4是功率場效應管寄生結電容示意圖。
以圖3為例，圖中E是直流電源。C1是電源濾波電容，C2、C3是輔助柵極電源濾波電容。T1、T2、T3、T4、T5、T6是逆變器的主功率場效應管，T7、T8、T9是輔助換向小功率場效應管。D1、D2是輔助柵控電源整流管，D3、D4、D5是先關斷后導通二極管。DW1、DW2、DW3、DW4、DW5、DW6是保護場效應管用穩壓管。Y代表壓控振蕩器。H代表環形分配器。M代表脈寬調制器。A、B、C表示逆變器的輸出端，亦即用于交流調速時，三相異步電動機繞組的進線端。Ri是寄生結電容的充電電阻，Ri′是寄生結電容的放電電阻。上橋臂，Ri≈R4＋R10≈R6＋R11≈R2＋R12，Ri′≈R4≈R6≈R2；下橋臂，Ri≈R1＋R19≈R3＋R20≈R5＋R21，Ri′≈R1≈R3≈R5。
實施例1圖1所示，是本實用新型的最簡單的單相逆變器，圖中的功率場效應管T2由輸入的變頻信號Uin控制通斷。變頻信號Uin是脈寬為180°的方波，當輸入信號為零時，輔助小功率場效應管T7及主功率場效應管T2關斷；此時上橋主功率場效應管T1由電壓U2經電阻R1、R2提供柵極電壓而飽和導通。當輸入變頻信號Uin由零變正時，輔助小功率場效應管T7首先導通(小功率場效應管反應速度快)。由于T7的導通，N點的電位迅速由E降到零。因為R1很小(幾百歐以下)，致使上橋臂T1管的柵源寄生電容Co迅速放電，即T1的柵極電壓迅速下降而快速關斷；與此同時，盡管變頻信號Uin雖已為正，但是T2管的柵極串聯電阻R4＋R5的阻值較大，因此T2管的柵源寄生電容的充電時間常數也稍大。這樣，就保證了在上橋臂功率管T1關斷之后，再待到下橋臂功率管T2的寄生結電容Co充電到開啟電壓之后才開通；小功率場效應管T7起到了上下兩場效應管T1、T2的互鎖作用。這樣，就實現了傳統的“先關斷后導通”的邏輯控制。試驗證明，在幾十千赫的范圍內應用時，可以將功率管的開關耗限制在允許的范圍內。
圖1中上橋臂功率場效應管T1的柵控電源U2由自舉電壓提供。即柵控電源是由主電源E、整流管D2和濾波電容C3等元件構成半波整流電路。其過程如下當下橋臂功率場效應管T2導通時，正電源E經二極管D2向電容C3充電，C3兩端電壓U2近似等于電源電壓E，并以此作為上橋臂功率管T1的柵控電源。電壓U2遠高于T1管的允許柵極電壓，為保證柵極不過壓，在T1管的柵源極之間并聯一個穩壓二極管DW1。由于柵控電源U2較高，T1管的寄生結電容Co充電很快，為保證充電延時，其中的充電電阻R2特意取得偏大，并按下式計算R2＝R5·E／Eg。式中E是主電路最高直流電源電壓，Eg是功率管T1的最高柵極電壓。按此式算得的R2，使T1、T2兩管的導通延時相接近。此時R2中的功耗也較小。
在電壓較高的逆變器中，為減小功耗，可采用單獨的柵控電源。即本實用新型的實施例2，如圖2所示。
實施例3圖3是適用于三相異步電動機調速用的逆變器原理電路圖。場效應管T1、T2、T3、T4、T5、T6是逆變器的主功率管，T7、T8、T9是輔助換向小功率場效應管。二管極D1、D2和電阻R13及電容C2、C3組成自生的上橋臂功率管T2、T4、T6共用柵控電源。該柵控電源的產生過程如下在主場效應管T1導通時，正電源E經D1、R13、T1向電容器C3充電。主管T4導通時，電容器C3的電壓經D2、T4、R13向C2充電。幾個周期后，C2兩端電壓升至電源電壓E，并以此作為上橋臂功率場效應管共用的柵控電源。
直流電源E可由交流整流獲得。為了提高整流電路的功率因數，可用二極管整流，這樣直流電源E為基本不變的量。為實現交流異步電動機的恒磁通控制(即f／v＝常數)，設置了壓控振蕩器(Y)、環形分配器(H)和脈寬調制器(M)等。當轉速設定電位器R18在零位時，壓控振蕩器(Y)停振，脈寬調制器(M)的輸出為全零態。下橋臂功率場效應管T1、T3、T5及輔助小場效應管T7、T8、T9都處在關斷狀態。與此同時，上橋臂的功率場效應管T2、T4、T6都處在導通狀態。但由于下橋臂的場效應管都關斷，整個主電路全斷路，逆變器的輸出端A、B、C(即異步電動機的三相繞組的進線端)上無電壓。當轉速設定電位器R18離開零位時，壓控振蕩器(Y)則根據轉速設定的大小而成正比地改變其輸出頻率f。。環形分配器(H)將壓控振蕩器(Y)輸出的頻率f。分離成三相互差120°的方波信號，方波信號為180°為正，180°為零。該180°的方 波與脈寬調制波與門后來控制相應的場效應管T1、T3、T5、T7、T8、T9。脈寬調制器(M)的占空比與其輸入電壓成正比。恰當地調節壓控振蕩器(Y)與脈寬調制器(M)的電路參數，當電機達到額定轉速時，脈寬調制器(M)的輸出占空比為1。這樣，在變速過程中電機繞組上的電壓與頻率就能保持比例的關系(即f／v＝常數)，實現了三相變頻器對三相異步電動機的恒磁場控制。
以上幾種例舉電路是用場效應管的逆變器，但該實用新型亦實用于與場效應管類同的絕緣柵功率管(例IGBT等)逆變器。
權利要求1.一種由功率場效應管(IGBT)等電子元件構成的逆變器，其特征是a.主電路下橋臂功率管的柵控信號源Uin中串聯兩只電阻R4、R5，其中R5兩端并聯二極管D1，二極管的導通方向背向功率管的柵極，電阻R5≥R4；b.上橋臂功率管的柵控信號是由小功率場效應管T7將對應的下橋臂柵控信號Uin倒相后提供。上橋臂功率管的柵極串聯兩只電阻R1、R2后接柵控電源U2，兩電阻的中點N接小功率場效應管T7的漏極，其中R2＞R1。
2.按權利要求1所述的逆變器，其特征在于上橋臂功率管的柵控電源U2是由主電源E、整流管D2和濾波電容C3等半波整流電路構成。
專利摘要“改進型高可靠功率場效應管逆變器”涉及電氣領域中的無源逆變技術，廣泛用于不停電電源、交流變頻調速等場合。其主要特征是在功率管的柵極串聯兩只電阻后再接至觸發信號源，在其中的一個電阻上并聯二極管，二極管導通方向背向柵極，由此實現“先關斷后導通”的邏輯控制，并減少了主電路的過電壓和過電流。簡化了電路又提高了可靠性。
文檔編號H02M7/537GK2143385SQ91228970
公開日1993年10月6日 申請日期1991年11月26日 優先權日1991年11月26日
發明者戰福忠, 余世杰, 姜躍煒 申請人:合肥工業大學