（电力电子与电力传动专业论文）5kw三相逆变电源主电路设计.pdf

a b s t r a c t t h e r ea r em a n yy e a r sf r o mt h ep o w e ri n v e r t e rh a v ea l r e a d ya p p e a r e dt ot h e d e v e l o p m e n t i 协a p p l i c a t i o n sn o wa r em u c hm o r et h a no n l ym e tt h ee m e r g e n c y e q u i p m e n t i t i su s e di n m a n ya r e a ss u c h a se n e r g ys a v i n g ，v v v f , t h e i m p r o v e m e n to fp o w e rs u p p l yq u a l i t ya n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s 。t h et r e n do ft h ep o w e ri n v e d e ri sh i g h e rv o l t a g e ，b i gp o w e ra n d l o w e rl o s s f o rs o m er & ds t a f f t h e r et a s ki st od e s i g ne x c e l l e n tp o w e rs u p p l yw i t h t h ep o w e rm o d u l e t h ea b r o a dc o m p a r e du st oi e a da l m o s tad e c a d ei nt h i sa s p e c t w ew a n tt oc a t c hu pw i t h ，f i r s tw eh a v et ok n o ww e l li t sd e s i g nw a yo ft h i n k i n g ，t h e p r i n c i p l eo ft h ec i r c u i t t h e nw eh a v et h ep o s s i b i l i t yt oi m p r o v et h e c i r c u i ti no r d e rt o a t t a i nac r e a t i v ep u r p o s e t h i sa r t i c l ea n a l y z e de a c hc o m p o n e n ti nd e t a i lo ft h em a i nc i r c u i to fp o w e r s u p p l y t h eh a r d w a r em a k i n ga n dt e s tw e r ef i n i s h e d i ni n f i n e o nc o m p a n y t h e w h o l ed e s i g nw i l ib er e c o m m e n dt ot h ec u s t o m e ra st h ee v a l u a t eb o a r d i tc o u l d h e l pc u s t o m e r st od e s i g nt h ep r o j e c ti nl e s st i m e 。l e s sc o s tb u th i g he f f e c t i v e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ep h y s i c a ls t r u c t u r ea n de l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h e p o w e rm o d u l e t h e ni nc o n s i d e r a t i o no fc o s t ，c o m p a t i b i l i t ya n d a c t u a lf a c t o ro fe t c t h ed e s i g nw a sb o r n s e v e r a lw a v e f o r m ss u c ha ss o f ts t a r t ，g a t ed r i v es i g n a la n ds o o n e s p e c i a l l y , m o r ef o c u s e sw e r et a k e no nt h eg a t es i g n a lb e c a u s e t h es w i t c hl o s e i so n eo ft h em a i nl o s s e sf o rt h ep o w e ri n v e r t e r s o ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e s w i t c he x h a u s to ft h em a i ne l e c t r i cc i r c u i t i nt h ed o c u m e n t ，t h e r er a i s e dam e t h o d f o rc h o o s i n gt h ee q u a ir e s i s t a n c e t h i st e x tp r o v i d e dm o r es y s t e ma n dm o r ec o m p l e t ew a yo ft h i n k i n gf o rt h o s e w h ow a n tt om a k et h em a i ne l e c t r i cc i r c u i to fp o w e ri n v e r t e nm o r ed i s c u s s i o na n d r e s e a r c ha b o u th o wt or e d u c et h ei o s ss h o u l db em a d ei nt h ef u t u r e z h e n gz iq i n g ( e l e c t r i cp o w e ra n de l e c t d cd r i v e ) d i r e c t e db yh u a n gy u nq i a n k e y w o r d ：p o w e ri n v e r t e r ，i g b tm o d u l e ，e q u a lr e s i s t a n c e ，s w i t c hl o s s 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导卜+ 进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特另) j d r l 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：牲日期：二掣 论文使用授权声明 本人同意l ：海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校口j 以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 上海海事大学硕士研究生毕业论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于英飞凌公司的测试评估板。所谓评估板就是提供给顾客尽可能 低廉的成本实现高品质性能的设计方案，以减少他们在利用公司器件研发时对硬 件所投入的人力、物力与时间。英飞凌公司的前身是德国西门子公司的半导体事 业部，是世界上先进的半导体生产厂商之。尤其是在大功率模块方面，拥有世 界流的技术，在中国的业务主要是基本的晶元加工和提供各种半导体器件的开 发和应用方面的技术支持。2 0 0 7 年3 月，本文所讨论的这个评估板曾在上海举行 的慕尼黑电子展上被作为展品展出过。 虽然我国在电源方面已经取得了不小的成绩，但与国际发达国家相比，我们 在应用基础研究深度方面差距为r1 0 年；在电源产品的质量、可靠性、开发投入、 生产规模、工艺水平、先进检测设备、工人素质、持续创新能力和公司体制等综 合实力方面差距估计为1 ( 71 5 年。对电源产品和装置性能有极其重要影响的新型 场控器件的芯片制造技术还处于非常脆弱的状态。 电力电子学的发展史实际上是一部围绕提高效率、提高性能、小型轻量化、 消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈研究的奋斗史。这也正是2 1 世纪 电力电子产业或电源产业的发展趋势。其具体要求可归纳如下几点：进一步提高 电能变换效率，降低待机损耗；避免电力公害，尽量减少网侧电流谐波，并使网 侧功率因数接近l ；提高电源装置和系统的电磁兼容性( e m c ) ；降低电噪声：小型 轻量化，通过高频化、元件小型化和先迸工艺加以实施；高性能：随各种用电器 而不同，如带非线性负载能力、无线均流、直流侧谐波抑制、智能化以及各种性 能高指标等。用于电力系统的电能变换设备、服务于环保人类健康的电源装置、 适合信息社会需要的电源产品、薄一轻一超小型电源模块与装置以及高效节能低污染 的“绿色”电源产品将是2 1 世纪的主流产品。 半导体技术的进步固然是提升了i g b t 模块各项性能指标，使其更好地满足电 源的功率及各种损耗要求。但是，除了元器件本身，电路设计的好坏同样会影响 到电源的优劣。无论是固定频率的大功率电源，还是频率可调的大功率电源，都 离不开逆变这一环节。逆变电源是电源系统的重要组成部分，其性能直接关系到 整个系统的安全性和可靠性指标。而一个逆变电源的核心就是它的主电路部分了， 主电路设计的好坏直接影响到电源性能，比如散热效果是否良好关系到整个电源 上海海事夫学硕士研究生毕业论文 的输出功率；又比如走线的长短、宽度的合理，能降低电源的损耗：再比如主电 路中吸收电容对直流母线侧高次谐波的抑制，会影响整个电路的电磁兼容能力的 强弱：特别是门极电路设计的好坏，与半导体器件的开关损耗有密切的联系，因 为开关损耗是逆变电源中最主要的能耗之一，至今人们还在想办法进一步减少开 关损耗。还有设计主电路时，要注意元件与元件之间、导线与导线之间、元件与 导线之间的爬电距离，看是否符合相应的国际或国家安全规定，以保证其在相应 的工作环境中能够安全、正常地运行。 主电路设计的好坏与否，对降低元器件的损耗，提赢电源整体效率，延长半 导体模块的寿命都有影响。这其中自然也少不了保护电路，它的功能设计在主电 路中也有一定的体现。紧凑、周全又性能可靠是设计电路的目标。 本文将较为细致地介绍逆变电源的设计，尤其是主电路设计的步骤，从理论 分析到工程计算，再到最终的实物结果。本设计所选用的i g b t 模块是英飞凌公司 场的第三代大功率模块产品，它采用的是场终止技术，它的导通损耗低，关断损 耗也小，因此拖尾电流很短。 1 2 电源技术 电源是位于市电( 单相或三相) 与负载之间，向负载提供优质电能的供电设 备。是工业生产及人民生活中不可缺少的基础设备。 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合了电力变换技术、现代电子技术、 自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现 代控制理论、，材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源 技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电 子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高 效率、高可靠性的电源起着关键作用。i l j 当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数 的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理， 特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的 支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的 发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消 耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。 无论是日常生活还是最尖端的科技，都离不开电源的参与和支持，电源技术也正 是在这种环境中一步一步发展起来的。 2 上海海事大学硕士研究生毕业论文 1 3 逆变电源及其应用背景 逆变电源是一种将直流电转换成交流电的电源设备。常见的变换方式有直流一 交流( d c a c ) 变换和交一直交( a c d c - a c ) 变换。前一种变换方式需要用到蓄 电池、燃料电池、太阳能电池等直流电源，适合作应急电源或是像船上那样对电 能质量要求较高的地方。在现实生产生活中，更多的是交一直交型的逆变电源。它 比直交逆变多了一项过程，就是要先把市电整流、滤波，成为直流电。 理想的交流电源输出电压是纯粹的频率一定的正弦波，即在正弦波上没有叠 加任何谐波，且无任何的瞬时扰动。不过实际的电网，因为许多内部的原因和外 部的影响，导致其波形并非标准的正弦波，另外由于电路本身的阻抗所限，其电 压也绝不是稳定不变的。在现代工业生产中，许多设备不仅对电能质量的要求越 来越高，而且还出现了电动机的交频调速方法。所以，以全控型电力电子器件为 核心的逆变电源就应运而生了。 现代电力电子技术在各种高质量、高可靠性的电源中起关键作用。而逆变电 源正是现代电力电子技术的具体应用。随着人类社会不断发展，环境恶化和资源 枯竭的问题日益严重，可再生清洁能源的应用越来越多，比如说太阳能电池和燃 料电池，它们都是直流电源。另外，直流输电，以其节约能源、线路造价低、无 系统稳定性问题等优点再次兴起。如果日常生活生产中要利用这些直流电源，就 需要逆变。 我们国家人均能源占有率低，煤和石油都属于不可再生能源，早晚有耗尽的 一天，且它们会污染环境，对人类生存繁衍造成威胁。所以我国乃至全世界各国 都积极行动，提倡节约能源，保护生态环境，走可持续发展之路。这其中包含两 个非常切实可行的方案，其一是变频调速技术，另一个则是鼓励开发利用太阳能、 风能、生物质能、热泵、地热、燃料电池等新能源。前者中比较常见的交- 直一交变 频就含有逆变电源的部分。后者那些新能源也多为直流电源，需要经过逆变再为 我们生活和生产所用。所以说逆变电源技术有着巨大的发展需要。顺应了当今世 界“节约能源、保护环境”的主题。 1 4 逆变电源的发展现状 电源是各种用电设备的动力装置，是电子工业的基础产品。经济建设和社会 生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。 电力电子器件作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝 上海海事大学硕士研究生毕业论文 着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。日本及欧美 各国不断研制出高频率和低损耗的i g b t 。在最近一次的慕尼黑上海电子展上，展 出了各种先进的电力电子器件及其系统、电源转换设备、电机驱动及控制系统， 包括欧洲最新的第四代i g b t 和r 本最前沿的第五代i g b t 。这些最新技术已经应 用于大功率电力变换器、开关电源、汽车电子点火器和激光电源等领域。 以电力电子学为核心技术的电源产业从2 0 世纪6 0 年代中期开始形成。这个 时期的主要标志是以整流技术( a c d c ) 为主的各种电源装置，如电解、电镀和中小 容量的a d d c 变换器的出现。经过近十年的努力，我国的可控硅的电压和电流容 量、性能以及产品的稳定性有了很大的提高，快速可控硅和高频可控硅也已试制 成功。基于s c r ( t 6 控型的普通晶闸管) 的电源装置的研制范围迅速扩大，产品 种类增多，涉及到变频调速、中频感应加热、大容量开关电源、小型轻量化4 0 0 k v 高压电源、电火花加工电源、声纳电源等等。唧 进入2 0 世纪8 0 年代，国际上开关电源开始实用化，p w m 高频调制技术、软 开关技术、处理网侧谐波电流和提高网侧功率因数的p f c 技术( 功率因数纠正技 术) 的研究以及柔性交流输电系统概念的提出引起学术界和企业界的广泛和浓厚 兴趣。电力电子技术的应用步入高频、高性能、高功能因数和低污染的新阶段。嘲 2 0 世纪9 0 年代以来是我国电力电子技术和电源产业快速发展的时期。据统计， 9 0 年代初期我国器件和装置的年产值也不过2 0 亿元左右。然而，2 0 0 1 年基于场 控器件的开关电源产品的年产值，仅原华为电气一个公司就达到2 6 亿元。其他超 亿元年产值的公司有：武汉洲际、北京动力源、北京通力环、烟台东方玉麟电子 有限公司等等p c 机开关电源、u p s 和逆变焊机公司也有了年产值达亿元以上 的。通用变频器的年产值接近l 亿元，近十年电源产业规模的发展在加快。2 0 世 纪9 0 年代国际上进行的电能变换装置从使用电流控制型器件向使用电压控制型器 件转变，这也在我国电源产品中得到充分体现。1 5 近年来，中国电源产业的发展无论是从技术上，还是从产业的规模上来说， 都发展到前所未有的阶段，成为社会各界关注的一个行业。随着经济的发展和科 学技术的进步，节约能源、保护环境已被社会各界所接受并且高度重视。电源是 节约能源的重要环节，经过电力电子和电源技术处理之后的电力供应，节能效果 明显。另外，电源产品的小型化还可以节约大量的铜、铁等原材料。所以，电力 电子和电源技术的发展是一个国家技术进步的重要标志。有的专家预言：人类未 来的福祉将经由能源电子技术的突破而实现。 现在，逆变电源的应用已经相当普遍，电力电子器件是其中的核心部分，研 4 上海海事大学硕士研究生毕业论文 究它、生产它、应用它己然成了电力电源行业的重要任务。电力电子技术在近些 年来取得了诸多进展，现今已成为节能领域的主要技术手段。他不仅作用于技术 革新，而且在电力生产、传输与使用的各个过程中都发挥着重要的作用。随着技 术的不断发展与电力电子产品在家庭与工业中的广泛应用，该领域的专业知识已 经成为企业能否成功的关键。特别是大功率半导体器件，它在现代重工业领域作 出了巨大贡献，车载电源、地铁等列车推进、风力发电，哪样都少不了大功率半 导体器件，少不了逆变电源。 目前市场上的产品主要来自日本或是欧美国家，即使是国产设备，其核心模 块也是外国货。中国在半导体制作工艺技术上和世界先进水平有一定差距，但对 于电力电子器件的应用我们不能落下。在所有本土化的应用中，当属逆变电源最 多，不同电压，不同功率，适用于不同的需要。 5 上海海事大学硕士研究生毕业论文 第2 章新颖ig b t 模块的特点介绍 2 1i g b t 的简介 在电力电子领域里，对应于m o s f e t 的双极型器件就是i g b t ，i g b t ( i s o l a t i o n g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是绝缘栅双极晶体管的英文缩写。i g b t 是m o s f e t 与双 极晶体管的复合器件。它既有m o s f e t 易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、 电流容量大等优点。其频率特性介于m o s f e t 与功率晶体管之间，可正常工作于 几十k h z 频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。i g b t 常常工作在开关状态，被用于电机控制、开关电源等一些要求快速、低损耗的电 路设备中。i g b t 实际上是一种用m o s 门控制的晶体管，因此内部结构各部分名 称基本沿用m o s f e t 的相应名称。 g b t 的输入特性和开关频率与m o s f e t 相似： 而输出特性和开关容量则与g t r 相似。 i g b t 是电压控制型器件，在它的门极一发射极问施加十几伏的直流电压，只有 1 1a 级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但i g b t 的门极发射极间存在着较大 的寄生电容( 几千至上万p f ) ，在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供几安培的 充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出 一定的峰值电流。 2 2 ig b t 的工作原理和工作特性 2 2 1i g b i 的结构与工作原理 图2 1 为i g b t 的结构剖面图，图2 - 2 为m o s f e t 的结构剖面图。由图可以看 图2 - 1 | g b t 结构剖面 6 上海海事人学硕士研究生毕业论文 出，两者的结构十分地相似，不同之处是i g b t 多了个p + 层发射极，可形成p n 结 j l ，并由此引出漏极：门极和源极与m o s f e t 相类似。i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r ( 电力双极型晶体管) ，其简化等效电路如图2 3 所示。其中虚 线框中的是寄生三极管。在寄生晶体管基区与发射区间有电阻r 即若，值较大， 那么在通态下，当r b r 两端电压高于0 6 v 时，便足以使寄生晶体管导通，从而门 极失去控制作用，这就是电流擎住现象。 i g b t 按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于p + 发射区和漂移区之间的n + 层。无缓冲区n + 的称为 对称型i g b t ，也叫做非穿通型i g b t ；有缓冲区n + 的称为非对称型i g b t ，也叫做穿通型i g b t 。 i g b t 的开通和关断是由门极电压来控制的。门 极施以正电压时，m o s f e t 内形成沟道，并为p n p 晶体管提供基极电流，从而使i g b t 导通。在门极上 施以负电压时，m o s f e t 内的沟道消失，p n p 晶体 图2 - 3i g b t 等效电路图 管的基极电流被切断，i g b t 被关断。i g b t 的驱动方法和m o s f e t 基本相同，只 需控制输入极n 沟道的m o s 肿，所以具有高输入阻抗特性。 2 2 2i g b t 与m o s f e t 的比较 i g b t 结构底部的p 层导致了两 种器件性能上的本质区别。i g b t 在 开通状态，电子电流从基区流向底部 的p n 结，导致少数载流子注入漂移 区，在基区建立起来的电子一空穴对 使器件的电阻大为降低。 与单极型的m o s f e t 相比， i g b t 属于双极型器件。因为多数载 流子( 电子) 和少数载流子( 空穴) 同样对电流的产生有贡献。而 m o s f e t 是单极型器件，在导通状态 下只有多数载流子起导电作用。 l f ? 7 。 = 2 0 v | | |f、 ， ，一一 1 5 v q | “、 1 3 v 、7 v f l 9 v 0 l， 7 v 、国， 5 v、 纱 厥 2 y i 1 0 v 2 v4 vw 图2 - 4i g b t 的输出特性 双极型的性能对于i g b t 的特性有着巨大的影响。当m o s f e t 处于导通状态 时，起根本性作用的就是导通电阻r d s ( o ) ，而i g b t 特性曲线上的不同区段则分别 7 姒 姒 姒 姒 雠 弘 上海海事丈学硕士研究生毕业论文 体现为一个内建的二极管、电压拐点和动态电阻。这些特性如图2 - 4 所示嗍。 另外，i g b t 跟m o s f e t 的开关特性不同。在关断时刻，i g b t 的特征是具有 一个缓慢降低的电流拖尾，这是由于储存的电子空穴对，不能迅速从器件中完全 消除，发生抽取和复合而导致的。相比之下，m o s f e t 因为是单极型的结构，没 有这种过程，所以关断损耗较低。至于开通过程，两种器件是类似的。旧 2 2 3i g b t 的工作特性 i g b t 的工作特性包括静态和动态两类柳： 1 静态特性 i g b t 的静态特性主要有伏安特性、饱和电压特性、转移特性和静态开关特性。 口 m i n 蠊m蘑 f 圪5 方j r 。跳 ， ( c ) o24 甄。v ) ( b ) f d i j 旧n 、 、g f o 嵋” ( d ) 图2 - 5i g b t 的静态特性 ( a ) 伏安特性图2 - 5 ( b ) 饱和电压特性图2 - 5 ( c ) 转移特性图2 - 5 ( d ) 开关特性 i g b t 的伏安特性是指以栅源之间的电压v g s 为参变量时，漏极电流与门极电 8 上海海事大学硕士研究生毕业论文 压之间的关系曲线，如图2 - 5 ( a ) 所示。输出漏极电流受栅源电压v g s 的控制， v 璐越高，i d 越大。它与g t r 的输出特性相似。也可分为饱和区( i ) 、放大区( ) 和击穿特性( i i i ) 。在截止状态下的i g b t ，正向电压由j 2 结承担，反向电压由 j 1 结承担。如果无n + 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入n + 缓冲 区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了i g b t 的某些应用范围。 i g b t 的饱和电压特性如图2 - 5 ( b ) 所示，由图可知，i g b t 的电流密度较大， 通态电压的温度系数在小电流的范围内为负，在大电流范围内为正，其值大约为 1 4 倍1 0 0 。 i g b t 的转移特性是指输出漏极电流i d 与栅源电压v c s 之间的关系曲线，如 图2 - 5 ( c ) 。它与m o s f e t 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压v a s t t h ，时， i g b t 处于关断状态。在i g b t 导通后的大部分漏极电流范围内，b 与v g s 呈线性 关系；只有当栅源电压接近开启电压、h 时，才呈现非线性关系，此时漏极电流已 相当小；当栅源电压v g s 小于开启电压v 时，i g b t 处于关断状态。加在栅源间 的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。一般电压的最佳值可取为1 5 v 左右。 i g b t 的静态开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系，如图2 5 ( d ) 。 当栅源电压大于开启电压，i g b t 处于导通状态时，由图2 3 可以看出，i g b t 由 p n p 晶体管和m o s f e t 组成达林顿结构，其中p n p 为主晶体管，m o s f e t 为驱 动元件。电阻r 出介于p n p 晶体管基极和m o s f e t 漏极之间，它代表n 漂移区电 阻，一般称为扩展电阻。与普通达林顿结构不同，在等效电路中流过m o s f e t 的 电流是i g b t 总电流的主要部分。在这种情况下，通态电压v 粥可用下式表示 。，= 巧i + + j d 屯 ( 2 - 1 ) 式中v j l 是j 1 结的正向电压，其值为0 7 1 v ；v 出是扩展电阻r 由上的压降；r 。 是沟道欧姆电阻。 与功率m o s f e t 相比i g b t 通态压降要小得多，耐压1 0 0 0 v 的i g b t 约有2 - 5 v 的通态压降，这是因为i g b t 通态下漏区的电导调制效应。电导调制效应是指当集 电结反向电压增大时，集电结的空间电荷区加宽，这就引起基区有效宽度变窄。 因而载流子在基区复合的机会减小，所以基极电流k 随集电极反偏电压增大而减 小，也就是基区有效电导减小。 当v c a v t 时，i g b t 处于阻断状态，只有很小的泄漏电流存在，外加电压由 j 2 结承担，这种阻断状态与功率m o s f e t 基本一致。 2 动态特性 9 i g b t 的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面。 i g b t 在开通过程中，大部分时间是作为m o s f e t 来运行的，只有在漏源电 压v d s 下降过程后期，p n p 晶体管由放大区至饱和区，增加了一段延迟时问t d ( o 咖 如图撕所示f 姗，k 为电流上升时间。另外，漏源电压的下降时间由l 和2 组 成。所以，实际应用中给出的漏极电流开通时间为 o=d(m，+0+朋+2(2-2) 图2 - 7 关断时i g b t 的电流、电压波形 程也会使电压下降时间变长。 i g b t 在关断过程中，漏极电流的 波形变为两段，蝙和锄，如图2 - 7 。因 为i g b t 中的m o s f e t 关断后，p n p 晶 体管内存储的电荷难以被迅速消除，造 成漏极电流较长的尾部时间。因为此时 漏源电压已经建立，过长的下降时间会 产生较大的功耗，使结温增高。非穿通 型i g b t 的下降时间较短；反之，下降 时问则较长。通态电压与关断时间的折 中，则可以减小下降时间。如图2 - 7 所 示，存储时间包括t d ( 呻和k ，t d ( o l f l 为关 断延迟时闻，k 为电压v d s 的上升时问； 在图2 - 6 中，l 段曲线为 i g b t 中m o s f e t 单独工作时的 电压下降时问；锄段曲线为 m o s f e t 和寄生三极管n p n 同 时工作时的电压下降时阀。眈 时问的长短由两个因素决定。其 一，在漏源电压降低时，i g b t 中m o s f e t 的栅漏电容增加， 致使电压下降时间变长，这与 m o s f e t 相似。其二，i g b t 的 p n p 晶体管从放大状态转为饱 和状态需要有一个过程，这段过 图2 - 6 开通时i g b t 的电流、电压波形 上海海事大学硕上研究生毕业论文 下降时间则由l 和缸这两部分组成。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 为 矿，= t d ( 盯，十f ，+ 朋+ ，2 ( 2 - 3 ) 式中，h 啪与。之和又被称为存储时间。 i g b t 的开关时间与漏极电流、门极电阻以及结温等参数有关。随着漏极电流 和门极电阻的增加，开通时间、上升时间、关断时间和下降时间都趋向增加，尤 ； 曼 1 0 西 1 0 一 j 0 一 寸 l f l 1 0 0 ，( a i ( a ) ； e 一 - 苫 吣 o l u a ( b ) 1 0 f i 图2 - 8i g b t 的开关损耗 ( a ) 开通损耗( b ) 关断损耗 其是门极电阻对开关时间的影响更大。 i g b t 的开关损耗与温度有关。从图2 - 8 ( a ) 可以看出i g b t 的开通损耗与电 流的关系。显然，尽管i g b t 的开通损耗较低，但是损耗会随温度的升高而增大。 图2 - 8 ( b ) 是i g b t 的关断损耗与电流温度的关系，i g b t 的关断损耗随温度上升 而增加。 2 3i g b t 的门极驱动 i g b t 的门极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。门极电路的正偏压 v 僻、负偏压一v g s 和门极电阻r o 的大小，对i g b t 的通态电压、开关时间、开关 损耗、承受短路能力以及d v d t 等参数有不同程度的影响。门极正电压v a s 的变化 对i g b t 开通特性、负载短路能力和d v d s d t 电流有较大影响，而门极负电压则对 关断特性的影响较大。在后面的设计会作详细的介绍。 上海海事大学硕士研究生毕业论文 2 4 英飞凌第三代1 6 b t 模块的特点 目前在市场上有两种概念的产品：p t ( 穿通型) i g b t 和n p t ( 非穿通型) i g b t 庐j 。两者的不同在于前者有缓冲区，而后者则没有缓冲区。他们的横截面视 图如2 - 9 。从原理上说，它们的胞元结构相同，区别在于子结构上。 p t 型i g b t 在其背面有一个强发射极，使器件在通态时可以获得大量的少数 载流予。在阻断状态下，电场的分布呈不规则四边形，高掺杂的n + 缓冲区降为零， n 层维持很薄的状态，结果导致了正向电压的降低，于是p t 型i g b t 具有最小的 正向损耗。而处于通态时高浓度的空穴和电子，在器件关断时不可避免地要导致 图3 1 6 1p t 技术 图2 - 9 ( a ) ”型i g b t 圉3 1 6 2n p t 技术 图2 - 9 ( b ) n p t 型i g b t 大而长时间的电流拖尾现象。电子一空穴对在器件完全阻断电流之前必须全部消除。 对策之一就是注入一种使载流子寿命缩短的高掺杂材料，但这会导致正向损耗较 高。 与此相比，n p t 技术中位于背面的发射极效率就较低了。当它处于通态时， 器件不会获得大量的少数载流子，这就极大地降低了关断损耗。然而在这种概念 下，关断时的电场分布呈三角形，在相应较厚的n 区就完全消失了。这样的缺点 是正向损耗较大。 英飞凌公司的第三代i g b t 模块采用了场终止技术，它代表了n p t 技术的进 步，较好地解决了上述两者间的矛盾，使非穿通型i g b t 的导通损耗下降了3 0 左右，一定程度上弥补了其原来比穿通型i g b t 导通损耗大的弱点。图2 - 1 0 i s 给出 了采用这种概念的横截面图。其中一个显著的特点在于它的胞元结构，用的不是 平面结构，而是一个沟槽胞元的结构。其优点是芯片顶部积聚载流子的能力更强， 上海海事大学硕士研究生毕业论文 从而使载流子在器件截面上均匀分布。这样可以让饱和压降更低，导通损耗更小。 另一个特点在于它的子结构，采用了一个n 。场终止层。乍一看，这个概念和 p t ( 穿通型) i g b t 的概念很相似，并且这两种技术有共同的优点，就是在关断状 态下的电场都是不规则的四边形，产生了一个薄n 层，因此导通损耗小。但实际 上有着重大的区别，在场终止结构中，其背面的弱发射极使得关断损耗也小，因 此拖尾电流很短。 由于场终止层是轻微掺杂的，所以当器件处于通态时，不会对背面的发射极 产生影响。它的作用仅仅是在关断状态下把电场降低到零值。为此目的，前侧加 图2 一1 0 场终止技术和它的沟槽胞元 工过的高阻值衬底碾磨到7 0 微米的厚度。一个附加的n 掺杂层植入到晶元的背面， 在i g b t 横截面上产生的电场分布基本上是矩形的，p t 型的允许漂移区的厚度减 小。高阻值衬底使得在比击穿电压低得多的电压下( 大约1 0 0 v ) 就清理了漂移区， 从而切断了拖尾电流。这项技术还使器件的厚度比在薄晶元的n i t 技术下的厚度 减小1 3 。从数字上说，这意味着厚度从1 7 5 微米减小到1 2 0 微米。表2 - l 嗍说明了 各种i g b t 技术之间的区别。 表2 - 1 不同的i g b t 概念的比较 穿通型i g b t非穿通型i g b t场终止型i g b t p + 发射极非常高效次高效次高效 n 。层薄平均薄 附加n 层缓冲层有效减少了无场终止层只令电场 高发射电场终止终止 载流子寿命 短长长 因此，包含场终止技术的第三代i g b t 模块具有以下优势 8 1 ： 体积小，但做到的功率大。 上海海事大学硕士研究生毕业论文 能有效地解决逆变电源驱动的频率控制问题。 交流端和直流母线端能很好地分开，为设计p c b 时的布线提供了便利。 优化的热阻设计以达到更高的散热要求。 第三代i g b t 模块能够以更小的模块封装实现更大的功率要求。尤其是1 2 g o v 的i g b t 模块，在逆变电源的应用方面，表现出了非常好的电气特性和极高的可靠 性。从损耗上来讲，i g b t 拥有低通态损耗，但其电流拖尾的特性又表现出较高的 开关损耗。场终止概念的提出就是为了降低拖尾电流，使其开关特性尽可能地接 近m o s f e t 。采用这种技术后，超越了传统的逆变器应用，i g b t 的应用前景将更 加开阔。 2 5 模块选取的参数指标 现在的许多功率器件都模块化了，模块里包含了整流二极管、i g b t 、制动管、 温度检测电阻。这样的功率集成模块不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计 制造，更重要的是模块化取消了传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承 受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。选择合适的器件模块，可以使产品达 到最佳的性价比。 选择模块的时候，首先应该看的是耐压、额定电流及开关频率，但这却不能 确定模块的适用功率范围。因为看一个模块是否能在某一功率上使用，主要取决 于其在此功率上结温的高低。设备运行时的环境温度，散热系统的好坏都会影响 结温。结温如果低，损耗也就小，模块的效率就高。在任何应用场合，都需要根 据损耗来选择器件，选择的依据可参考如下： 1 可能的最高电压加上一定的安全裕量，通常是2 0 左右。 2 负载电流必须处于器件的安全工作区内。 3 封装必须满足关于走线、爬电距离等一些安规要求。 4 芯片的结温必须在指标之内。 前三点无须计算就能够轻易地确定，而第四条，在确定结温方面需要应用热 学条件，然后才能计算功率损耗，最终决定选用何种模块。考虑到每个电源设备 工作的环境不同，而且散热方法也不一样，可以用普通的散热片，也可以加上水 冷措施。即使同样用的是散热片，也会因为散热片的大小、形状、结构等的差异 而导致工作在同一功率下芯片的结温不同。比如本设计中选用的f p 4 0 r 1 2 k e 3 模 块，它一般被用于7 5 k w 的电源中，如果要用在更大的电路中则需要用更好的散 热手段。本设计中选用此模块，期望其输出功率达到5 k w 是留有一定裕量的。 上海海事大学硕上研究生毕业论文 第3 章设计要求及各项原理算法分析 3 1 逆变电源设计要求 由于i n f m e o n ( 英飞凌) 公司的i g b t 驱动芯片有所不同，每位客户要求也不 尽一样，所以要做一个i g b t 模块样板同时能兼容两种驱动芯片的，以方便用户根 据自己的需要选择参考。 英飞凌公司有两种常规的i g b t 驱动芯片。早期的一种叫2 e d ( 全桥驱动芯 片) ，后来的一种叫l e d ( 半桥驱动芯片) 。它们都可以用于驱动i g b t 或者是 m o s f e t ，区别就在前者每块芯片可以驱动上下半桥两个i g b t ，而后者每个芯片 只能攉动一个i g b t 。2 e d 运用的是一种无芯变压器技术，来实现上半桥i g b t 与 下半桥的驱动隔离，而且在2 e d 芯片内，自带了运算放大器和比较器，可以为一 些硬件保护电路的设计提供方便，削减成本。但在实际使用中，2 e d 在电路出现 意外故障时( 如开关电源短路、控制部分和电气部分共地等问题) ，很容易被损坏， 连带保护电路中的运放和比较器一起损坏。而l e d 就不同了，它的保护功能比2 e d 要好，有欠压锁定输出、延时输出、无负载时自动关闭芯片输出等功能。 本设计主要是关于逆变电源主电路的设计和开关电源的设计。其中涉及到整 流部分、滤波部分、软启动部分、i g b t 门极保护电路、制动电路以及一些保护电 路。整体逆变电源的设计框图如图3 一l 所示，主电路的设计框图如图3 2 。 图3 - 1 逆变电源设计的总框图 图3 - 2 逆变电源主电路设计的框图 上海海事大学硕士研究生毕业论文 明。 主电路设计具体要求见表3 - 1 ，详细数据会在后面的每个设计步骤中给出说 表3 - l 设计基本要求 项目 要求 功率 预期设计功率为5 k w 额定电压 三相y 形电源整流后的直流电压约为5 3 0 v 过流和短路保护直流母线上要有合适的检测电阻作为过流及短路保护 软启动 保护电解电容不要接受大电流充电，充电电流在1 0 a 左右 滤波电容保护 计算均压电阻值，采用均压电阻保护电容 制动需要有制动电路进行放电 i g 8 t 门极保护 i g b t 的门极要防止误触发开通 本设计主要涉及以下功率模块和驱动芯片：f p 4 0 r 1 2 k e 3 ( 功率集成模块) 、 1 e d 0 2 0 1 1 2 - s ( 单路i g b t 驱动芯片) 、2 e d 0 2 0 1 1 2 - f ( 双路i g b t 驱动芯片) 。 3 2i g b t 模块f p 4 0 r 1 2 k e 3 的参数介绍 图3 - 3 是f p 4 0 r 1 2 k e 3 的内部结构管脚示意图，可以看到该模块内含有三相 整流桥，一个制动管，六个带反并二极管的i g b t 单元以及一个负温度系数的热敏 电阻。 l 一一一一一1 - 图3 - 3f p 4 0 r 1 2 k e 3 的内部结构图 电气属性参数的最大值如表3 - 2 所示。 表3 - 2 最大参数 6 1 0 上海海事大学硕上研究生毕业论文 正向浪涌电流结温2 5 ，持续时间1 0 m s1 月 3 1 5a 结温1 5 0 ，持续时间1 0 m s 2 6 0 i g b t 管 源漏极间耐压结温2 5 时v 1 2 0 0 v 通态电流环境温度8 0 时i 4 0a 环境温度2 5 时i 。 5 5 尖峰通态电流环境温度8 09 c 时，持续时间1 m si 8 0 a 门极电压峰值v + 一2 0 v 续流二极管 正向直流电流 i r4 0a 正向尖峰电流 持续时间i m si _ 8 0a 制动管 源漏极i 日j 耐压结温2 5 时v 1 2 0 0 v 通态电流环境温度8 0 时i 。 1 5a 环境温度2 5 c 时i 。 2 5 尖峰通态电流环境温度8 0 。c 时，持续时问1 m si 3 0a 门极电压峰值v + 一2 0 v 制动二极管 正向直流电流i f 1 0a 正向尖峰电流持续时间1 m si m 2 0 a 3 3 整流电路与软启动电路 由于是交直交逆变电路，整流电路就必不可少了。所谓整流，就是指把交流 电路变换成直流电路。整流电路广泛应用于工业中，按组成的器件可分为不可控、 半控、全控三种。f p 4 0 r 1 2 k e 3 模块中，由二极管构成的三相整流桥属于不可控器 件整流类型。它的结构简单，成本也比较便宜。三相单管整流是单相单管整流电 路在三相领域的延伸，原理并不复杂，但有一点要特别注意的是，二极管的限流。 整流电流太大会使整流二极管损坏，而且整流后面还有滤波电路，电解电容也不 宜大电流充电，所以限流电路就必不可少了。措施主要包括两个方面。第一，在 直流母线中串联大功率小阻值的电阻，可以达到限制充电电流的目的。第二，在 充电结束后，需要把这个限流电阻给短路掉，使其在整个电源正常运行时不产生 上海海事大学硕上研究生毕业论文 功耗，同时也是为了保护电阻本身，不要因为长时间工作而有所损坏。如何把这 个电阻短路掉，这可以用一个由继电器构成的软启动电路来