（微电子学与固体电子学专业论文）集成igbt智能变频模块的研究.pdf

摘要 论文题目：集成i g b t 智能变频模块的研究 学科名称：微电子学与固体电子学 研究生：张蕾 指导教师：蒲红斌副教授 答辩日期： 摘要 签名：；易季 口 签名：丽力拭 节能减排现已成为人们应对能源危机与环境保护的一项重要措施。变频技术以降低能 源消耗为目的已被广泛应用于工业制造、家用等领域。随着功率电子模块朝着轻量化、小 型化、智能化和高性能的发展趋势，国外一些大公司已经相继推出了智能功率模块的系列- 产品并快速占据了国内外市场。而国内大多智能功率模块依靠进口，我们对此类产品的研 究也较少。为了应对我国市场面临的严峻挑战和提高国内研发此类产品的相关技术。所以， 本文的研究对我国智能功率模块的发展有着重要的现实意义。 本文采用低成本的单片机为控制核心，首先，运用理论计算和软件仿真的方法进行了 主电路、控制电路、驱动电路、相关外围电路的设计和器件选型以及控制软件的编写和调 试。并用实验方法对电路参数进行了验证以及对控制p c b 的设计和调试。完成了输入信 号由上位机通过串口对控制系统的设置，使其输出具有1 k w 频率2 0 h z 、3 0 h z 、5 0 h z 可 调的智能变频系统，该系统体积小、控制精度高、抗干扰力强、操作简便并具有良好的兼 容性和扩展性。其次，探索研究了基于d b c ( d i r e c tb o n d i n gc o p p e r ) 陶瓷覆铜板的模块 封装工艺。运用理论分析和试验方法完成了基板和粘接材料的选取、d b c 基板电镀镍、 基于c a d 软件的d b c 基板电路设计、采用光刻和蚀刻法制作d b c 基板电路以及使用纳 米银焊膏和d b 5 0 18 导电胶进行芯片粘接。实验结果表明d b c 基板和纳米银焊膏以其优 异的导电性和导热性、较低的加工温度和弹性模量等优势将取代原有的封装材料而成为高 温大功率电子封装的新兴材料。 本文在完成智能变频模块电路设计的基础上对模块封装进行了探索研究，提出了采用 新型封装材料和封装结构的设计理念。对国内智能功率模块的研究与发展具有指导意义， 同时为国内智能功率模块产品的早日上市奠定了理论基础。 关键字：s p w m ；i g b t ；变频；模块；d b c ；纳米银；压接技术 西安理工大学硕士学位论文 a b s t m c t t i t i e ：i n t e g r a t e di g b tl n t e l l i g e n t l n v e r t e rm o d u l e r e s e a r c h m a j o r ：m i c r o e i e c t r o n i c sa n d s o ds t a t ee l e c t r o n i c s n a m e ：l e iz h a n g s u p e r 、，i s o r ：p r o f h o n g b i np u d a t e ： a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： e n e r g yc o l l s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o nh a sn o wb e c o m ea 1 1i m p o r t 锄tm e a s u r ef o r p e o p l et 0d e a l 、) i ，i t ht h ee n e r g y 嘶s i sa n de n v i r o n m e n _ t a lp r o t e c t i o n t h ei n v e 他rt e c h n o l o g ) ，t 0 r e d u c ee n e r g ) ，c 0 n s u m p t i o nf o rn l ep u 印o s eh a sb e e n 埘d e l yu s e di ni n d u s t r i a lm a n u f a c t u r i n g ， h o m e ，a 1 1 do t h e rf i e l d s a l o n g w i mt h e p o w e re l e c t r o n i c m o d u l et o w a r dl i 曲似e i g l l t ， m i n i a t 嘶z a t i o n ，i n t e l l i g e n c ea n dt h en e n do ft h ed e v e l o p m e n to fh i 曲p e r f i o 衄a i l c e ，s o m e f o r e i g nb i gc o m p a n ya l r e a d yh a v ei n t r o d u c e di n t e l l i g e mp o w e r m o d u l e so ft h es 商e sp 川u c t s a n dq u i c k l yo c c u p i e dd o m e s t i ca l l df o r e 和m a r k e t s a n dm o s td o m e s t i ci n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l er e l yo ni m p o r t s ，w e 咖d yt ot b j sl ( i n do fp r o d u c ti sl e s s i l lo r d e rt od e a l 诵mo u r c o u n t 眄m a r k e to fc h a l l e n g e 锄di m p r o v em ed o m e s t i cr e s e a r c h 锄dd e v e l o p m e n tr e l a t e d t e c h n o l o g yo fs u c hp r o d u c t s s o ，t h i sp 印e rs t u d i e so nm ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ei n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l eh a si m p o n a n tp r a c t i c a ls i g i l i f i c a i l c e i nm i sa n i c l e ，t h el o wc o s to ft h es i n g l ec l l i pm i c r o c o m p u t e ra sc o n t r o lc o r e f i r s to fa l l ， u s i n g 此t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na 1 1 ds o r w a r es h u l a t i o nm e t h o d so fm a i nc i r c u i t ，c o n t r o l c i r c u i t ，越v ec u i t ，r e l a t e dp e r i p h e r a lc i r c u i td e s 咖a n dt h es e l e c t i o no ft h ei n s t m m e n t sa n d t h ew r i t i n go ft h ec o n 臼的ls o 行a r ea n dd e b u g 西n g n ee x p e r i m e n tm e t h o do fc i r c u i tp a r a m e t e r s h a v ev e r i f i e da n dt l l ec o n t r o n i n gp c bh a s d e s i g n e da n dt e s t e d c o m p l e t e dt h ei n p ms i g 眦lb y p ct l l r o u 曲s e 池lc o n 们ls y s t e ms e t t i n g s ，m a l ( et h eo u t p u th a s1k w 骶q u e n c y2 0h z ，3 0h z ， 5 0h za d j u s t a b l ei n t e l l i g e n c e 雠q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m t h es y s t e mh a ss m a l lv o l u m e ，1 1 i 曲 c o n t r o la c c u r a c y ，锄t i - j 删n gf o r c es 缸d n g ，e a s yo p e 豫t i o na n dg o o dc o m p a t i b i l i 哆a n d e x p a l l s i b i i i t ) ，s e c o n d l y ，h a v ee x p l o i e dt h em o d u l ep a c k a g i n gb 瓠e do nt h e d b cs u b s t r a t e u s i n gt l l e o r e t i c a l 锄a l y s i s a i l de x p e r i m e n t a lm e m o d sc o m p l e t e dt l l es u b s t r a 他肌db o n d i n g m a t e r i a ls e l e c t i o n ，d b cs u b s t r a l ee l e c 仰p l a t e dl l i c k e l ，b a s e do nd b cs u b s 扛a t ec i r c u i td e s i g n t h r o u 曲t h ec a ds o f h a r e ，u s et h cp h o t o l i t h o g r a p h y 锄de t c h 协gm e t h o d st om a l ( et i l e d b c s u b s t r a t ec i r c u i ta i l du s i n gn a i l o s i l v e rp a s t ea n dd b 5 01 8s o l d e rp a s t ec o n d u c t i v eg u 吼f o rc h i p d _ ，- ，_ 西安理工大学硕士学位论文 a d h e s i v e t h ee x p e r i i i l e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td b cs u b s t r a t ea n ds o l d e rn 甜1 0 - s i l v e rp a s t ew i m i t ss u p e r i o rc o n m l c t i v i 够a i l dm e 册a lc o n d u c t i v i t y ，l o w e rp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r ea n de l a s t i c n l o d u l u sa 1 1 do t h e ra d v a l l t a g e s 埘l lr e p l a c eo r i g i n a lp a c k a g i n gm a t 甜a l sa sh i 曲t e m p e r a 饥鹏 l l i 曲p o w e re l e c t r o n i cp a c k a 西n go fe m e r 西n gm a 伦r i a l s i nt l l i sp a p e r ，h a se x p l o r e da n dr e s e a r c h e dt h em o d u l ep a c k a g i n go nt h eb a s i so fc o m p e l e t i n t e l l i g e n ti n v e n e rc i r c u i td e s i 弘，a 1 1 dp u t sf 0 删t h en e wp a c k a g i n gm a t e r i a l s 锄dp a c k a 西n g s t r u c t u r eo ft l l ed e s i g nc o n c e p t f 0 rd o m e s t i ci n t c l l i g e n tp o w e rm o d u l et om er e s e a r c h 锄d d e v e l o p m e n th a sg u i d i n gs i g m f i c a i l c e ，a tt h es a m et i m ef o rc 0 厕e si n t e l l i g e n tp o 、e rm o d u l e p r o d u c t se a r l yl i s t e dl a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n k e y w o r d s ：s p w m ；i g b t ；舭q u e n c y - c o n v e r s i o n ；m o d u l e ；d b c ；n a n o - s i l v e r ；p r e s s u r e t e c l l i l o l o g y 1 绪论 l 绪论 1 1 课题研究意义 节能减排已经成为当前各个国家应对能源危机与环境保护的一项重要措施。太阳能风 能等新兴能源的利用也广泛进入我们的生活，为了倡导节能环保、低碳生活，变频技术也 随之迅速发展。变频技术的应用降低了工业制造、家用、电网等领域的能源消耗l l j 。但是 随着电力电子器件在高频、高温、高功率、低损耗、及智能化系统化方向的发展，涵盖电 力电子与微电子技术的功率电子模块已经成为研究热点。功率电子模块以集成度高、体积 小、成本低等优点在功率电子领域迅速发展壮大。而其中的核心功率开关器件也从最初的 g t r ( 大功率晶体管) 、功率m o s f e t 直到现在的i g b t ，逐步优化着功率模块的整体性能。 从而产生了为适应功率电子装置轻量化小型化、智能化和高性能等特点而发展起来的功率 电子模块( p o w e re l e c n d i l i cb u i l d i n gb l o c k ) 、集成功率电子模块( i n t e 玛r a t e dp o w e r e l e c t r o m c sm o d u l e s ) 、智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，i p m ) 等。尤其是i g b t 功 率模块与先进的专用集成电路( 印p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 和现场可编程 门阵列( f p g a ) 等智能控制相结合，将使半导体功率装置的体积大为缩小。如图1 1 所 示是电力半导体器件的发展趋势，图中可以看出在大电流高电压的应用场合中，智能功率 模块、专用集成功率模块等已经代替了分立功率器件在家庭应用、工业应用乃至轨道交通 领域占据主导地位，并且还在进一步向大功率方面发展。套 1 0 0 图卜l 电力半导体器件的发展趋势 f i g u 陀l - l 伯e 仃e n do f t l l ed e v e l o p m e n to f p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c 功率电子模块的发展，不仅需要高可靠的功率电子器件，优化的电路拓扑，更需要先 进的模块封装技术降低内部芯片与基板互连产生的寄生参数，以及采用具有高的抗热疲劳 西安理工大学硕士学位论丈 和良好散热的封装材料【2 】【3 1 。因此混合i c 封装技术极大地促进了功率模块的发展。本课 题结合电力电子变频技术与微电子先进的封装技术，通过合理的电路拓扑及其控制策略提 出一种高集成的i g b t 智能变频方案，以可靠的电路设计以及采用一种优化的封装结构得 到高集成的i g b t 智能变频模块，该变频模块具有实时智能变频、集成度高、散热性能好、 损耗低、可靠性高等优点，实现了电力电子装置与系统的集成，并且体现了高级h i c ( 混 合集成电路) 思想：将包含功率主电路、i g b t 驱动电路、保护电路和控制电路的多个硅 片以及集成i c 利用先进封装工艺封装在同一模块中，形成相对独立且具有部分或者完整 功能的单元或系统1 4 j 。而当今先进的m c m ( m u l t i c m pm o d u l e ) 技术就是高级h i c 的典 型应用，m c m 技术和传统h i c 技术的差异体现在：m c m 是通过两种新技术即“多块裸 芯片 与“多层布线基板 ，从而实现电路的“高密度互连 【5 】，所以本课题在总结了先 进模块封装技术的基础上提出了一种智能变频模块实现方法以及封装结构设计，该设计对 于优化功率变频模块的整体性能有着重要意义。 1 2 国内外研究现状 s e m i k r o n 公司是最早将模块化概念引入到电力电子领域的，从g t r 模块、功率m o s 模块、i g b t 模块再到后来的智能功率模块i p m 、功率电子积木p e b b 、集成功率电子模 块i p e m 等，每一步的发展都是功率器件与模块封装技术的有机结合，他们相互促进相互 发展，从最早的1 o 圆形金属封装、d i p 双列直插封装到现在炙手可热的b g a 焊球阵列 封装，再到现在的芯片倒装封装和芯片尺寸封装，乃至m c m 多芯片封装技术，都体现了 功率模块的快速发展。美国飞兆( f a i r c h i l d ) 半导体公司的s p m ( s m a r tp o w e rm o d u l 曲 是面向中低端产品市场的新型智能功率模块，它有着具备高性能并且相当简化的电机驱动 设计。近几年间它由s p m 2 系列、s p m 3 系列、s p m 4 系列、s p m 5 系列、发展到最近的 s r m s p m ( 世界首个专为驱动真空吸尘器的单相开关磁阻电动机( s f c - m ) 而设计的“智能 功率模块”( s p m m ) ) 系列产品【6 j 。三菱公司变频模块a 系列：c m l 5 0 d y 2 4 a ，1 5 0 1 2 0 0 v 内部2 单元封装结构，它采取新一代c s t b t ( 载流子存储的沟槽型双极晶体管) 技术； 具有较低的饱和压降v c e ( s a t ) ；较低的开通损耗e o n 和关断损耗e o 行不需要r t c 也可 具有较高的短路承受力：栅极电容的降低使得栅极驱动功率接近平板型的i g b t ；采取 a l n 绝缘基层使得具有良好的热阻性能，相对欧洲出品的沟槽型i g b t 有更低的热阻和 更低的成本【1 7 1 。英飞凌公司及富士公司也相继推出了1 5 0 1 2 0 0 v 、3 0 0 1 2 0 0 v 、 4 5 0 1 2 0 0 v 、1 7 0 0 v 、3 3 0 0 v 、6 8 0 0 v 的大功率模块嗍【9 j 。 淄博市银河高技术开发有限公司于2 0 0 9 年3 月发布了一款品牌为银河捷普的集成 i g b t 变频器模块。其载波频率为5 8 k h z ，过载能力为1 5 0 ( 1 m i n ) ，采用w v f 控制 方式。模块输入频率5 0 - 6 0 h z ，模块输出功率2 2 k 、v - 4 5 k w 不等，最大输出电流4 5 a 9 0 a 不等。但它与外界通讯装置采用的是带有数码管的控制盒【l o 】。该款产品唯一不足是控制 电路的外置，它将带来模块在安装及使用时的不便。 目前我国市场上的大多数功率模块基本上都为进口，被国外垄断，价格昂贵，致使一 2 o 一一 1 绪论 些变频产品的市场价格居高不下，并且推迟了产品的上市时间，消费者很难接受。另一方 面，我国在封装技术方面与国外还存在着一定差距，封装技术的落后直接影响功率模块， 尤其是大功率智能模块的使用性能及寿命，加之宽禁带半导体功率器件凭借高饱和漂移速 度和高临界击穿电场等突出优势正在逐步替代s i 功率器件在高频高温大功率领域的应 用。目前s i cs b d 和s i c 功率m o s 已经进入市场，它们在逆变及电机驱动等应用领域 为系统性能的提升做出了巨大贡献，而我国落后的封装技术却限制了宽禁带功率器件优异 性能的发挥。 鉴于以上原因，研究集成i g b t 智能变频模块以及封装工艺，具有现实意义。本文在 电力电子技术和半导体功率器件及其封装技术相关理论基础上，设计了智能变频电路，通 过仿真与实验，验证智能变频电路的可靠性和有效性，并且对整个变频模块的封装结构进 行了设计，并对封装工艺进行了实验验证，该变频模块可实现实时智能变频、功耗低、集 成度高、可靠性高。 1 3 本文主要研究内容及结构安排 1 3 1 本文主要研究内容孙 譬 本课题是在运用变频技术和先进的封装结构及其封装工艺的基础上，以实现该变频模 块在中小功率应用领域的智能化及小型化。具体是将变频模块的主电路、控制及驱动电路、 保护电路采用混合封装思想，利用模块化封装技术，将其集成到一个模块内部，使其对外 可以构成一个完整的单元，用户可根据该模块的通讯接口与上位机控制实现实时变频输 出。 ( 1 ) 硬件电路设计：主要包括主电路拓扑的设计，控制电路设计和驱动电路三大部分。 在主电路设计中根据设计要求进行主电路拓扑设计以及功率器件参数的计算和型号选取， 该主电路完成将单相工频电压信号，经过整流后得到2 脉直流信号，电容滤波后可将脉动 的直流信号变成稳定的直流电，该直流电作用于i g b t 的h 桥逆变单元，加以控制信号后 输出为等幅不等宽的方波电压信号，该方波电压信号经过输出l c 滤波处理得到正弦交流 电压信号，依据设计要求计算参数并且确定器件型号，最后通过p s i m 软件对系统进行仿 真，验证电路拓扑结构和器件参数的合理性。i g b t 逆变单元采用s p l 】| m 控制法，选用s a 8 3 8 2 结合s t c 单片机实现智能变频控制电路，控制信号经驱动电路来控制i g b t 的工作状态， 驱动电路具备过流过压检测及保护功能。在驱动电路的设计中，对几种常用集成驱动电路： e x b 系列( 日本富士公司) 、m 5 7 9 系列( 三菱公司) 、i r 系列( 国际整流器公司) 进行了 性能比较，结合本文要求设计出合适的隔离型驱动电路并完成了负压产生电路以及功率器 件型号选取。 ( 2 ) 软件设计：由于本模块的控制电路部分采用单片机结合s p w m 波形发生芯片来产生控 制信号，因此软件设计主要包括，主程序、初始化程序和中断服务子程序。完成了对波形 产生代码的编写并在k e i l c 软件上进行了代码调试。 3 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 封装工艺设计：主要包括对基板、粘接材料等封装材料的选择、芯片粘接工艺和芯 片键合工艺的设计，最后对主要的封装工艺进行了实验验证：包括d b c 基板电镀镍实验、 设计芯片电路并在d b c 上光刻图形、采用热转印法进行d b c 基板图形的制作、运用d b 5 0 1 8 石墨填充型导电胶代替纳米银进行了芯片粘接实验。 1 3 2 本文结构安排 。 本论文共分6 个章节来介绍，论文的逻辑结构如下。 第一章绪论：变频模块在国外的研究起步较早，已经有成熟的商业产品，但是价格 昂贵，并受到技术保护等因素，研究我国自主知识产权的变频模块有其现实意义。国内变 频模块的研究尚处在起步阶段，另外国内还不具有成熟的变频模块的封装工艺水平，在此 背景条件下，深入研究了变频模块的原理和封装工艺，设计了一种可实现智能变频，并且 具有高集成度、高可靠性、轻量化、适合高温大功率场合的集成i g b t 智能变频模块，所 以本文的研究有着重要的指导意义和现实意义。最后对论文结构进行了规划安排。 第二章在深入阐述变频模块工作原理的基础上，设计了主电路拓扑结构以及电路实 现原理，分别论述了整流、滤波、逆变不同功能单元的电路参数计算和器件型号的选择。 第三章控制系统设计：简述了变频模块控制系统的分类及常用方法，并且介绍了本 文采用的s p w m 控制方法的原理与实现方案。重点对控制电路、波形产生电路和驱动电路 的电路设计原理和参数选择进行了阐述。 第四章系统仿真及电路实现：运用p s i m 仿真软件进行了设计电路的仿真分析与研究， 仿真结果表明了该设计的可行性，通过设计制作的印制电路板，搭建了整个智能变频系统， 进行了系统在线调试。 第五章变频模块的封装设计：首先简要介绍了功率模块的封装结构，其次对功率模 块的封装依照工艺步骤进行了介绍，最后给出了本文的封装设计方案，并采用实验的方法 对主要的封装工艺进行了验证。 第六章总结与展望：主要对本文的研究工作做出总结，客观指出了本研究进展以及 存在的问题和不足，对高集成封装工艺的智能变频模块的研究打下了坚实的基础。 1 4 本章小结 本章主要从课题的研究背景及意义、国内外研究进展两方面进行了介绍，指出了国内 模块封装技术的不足同时更进一步明确了本课题的研究意义。最后对本文的研究内容和结 构安排进行了介绍。 4 2 变频模块主电路设计 2 变频模块主电路设计 一 2 1 变频模块工作原理介绍 ，为提倡环保节能和满足小型化一体化的消费需求，变频模块在众多功率模块中脱颖而 、出。它依靠软硬件接口的标准化和体积的精简化使其拥有较强扩展性、通用性和良好的电 磁兼容性【l l 】【1 2 1 。由于受应用场合、研究成本及功率需求和用户要求的限制，变频模块种 类较多。但其功能包含了以下几个方面：变频变压，将5 0 6 0 h z 2 2 0 v 的市电变换成用户 所需的频率及电压幅值。变相，即就是可以实现三相到单相或是单相到三相的交流变换。 除此之外还有变稳的功能，将脉动的电网电压变成频率幅值相对稳定的交流电。模块化， 就是合理优化主电路和控制电路以及散热这三者关系的同时，实现混合集成的封装。本章 主要介绍了变频模块的主电路设计方法和设计原理。如图2 1 所示为变频模块的原理框 图。 图2 1 变频模块的原理框图 f i g u r e2 - ln ep 血c i p i ed i a g 啪1o f 舶q u e n c y c o n v e r s i o nm o d u l e 依上图知：输入为5 0 6 0 h z 2 2 0 v 的工频电，首先经过整流单元将其变为脉动的直流 电，再经滤波电路将脉动的直流电变为平滑直流电，供给i g b t 逆变单元，其中单片机通 过控制s p w m 发生器得到s p w m 控制信号，该控制信号经驱动电路的电平转换和脉冲的 严格检测之后输入至i g b t 的门极，使h 桥的四个开关管有序的轮流导通从而产生了 s p w m 波，其中变频器输出信号频率与调制波频率相同，载波频率一般较高，最高可达 几十k h z ，调制波频率随输出可变载波频率恒定，通常逆变输出的s p w m 波是幅值相等 宽度不等的矩形脉冲，需经高频滤波才能得到与调制波频率相同的交流正弦波形。通过调 节调制波频率，得到不同频率的输出交流信号。 2 2 主电路拓扑结构设计 5 西安理工大学硕士学位论文 变频模块内部整体上看，分为两部分：即强电部分和弱电部分，强电部分指的就是主 电路部分，它分为：整流电路、滤波电路、逆变电路。如图2 2 所示。 图2 2 主电路拓扑结构图 f i g u r e 2 2m a i nc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r e 以下根据本课题的具体内容来阐述各部分的结构和参数设计。 2 2 1 整流电路设计 整流电路实现将交流电变成脉动直流电。依据不同的分类方式，整流电路有如下几种 电路拓扑。 ( 1 )依据电路所用器件可分为全控、半控和不可控型整流电路； ( 2 ) 依据器件构成的电路结构可分为零式和桥式电路： ( 3 ) 依据输入端交流电源相数可分为多相和单相电路； ( 4 )依据变压器负边电流方向可分为双拍和单拍电路； 单相整流电路有如下特点： ( 1 ) 单相半波整流电路： 电路简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁 化，该电路应用较少； ( 2 ) 单相全波整流电路： 单相全波整流电路变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多。但仅 使用2 只整流管，比单相全桥少2 只，单相全波整流电路中二极管承受的最大电压为单相 全桥的2 倍，单相全波导电回路较全桥整流电路少一只二极管的管压降； 本课题中，输入2 2 0 v 5 0 h z 单相交流电，考虑二极管耐压宜采用单相桥式整流电路 拓扑，经单相全桥整流得到2 脉波直流电，该脉动直流电通过电容滤波得到稳定的直流电。 下面将就整流二极管选取以及整流二极管特性作如下说明，如表2 1 所示【1 3 】【1 4 】。 6 2 变频模块主电路设计 表2 一l 整流二极管特性参数 额定整流电流l f允许连续通过半导体二极管的最大工作电流 最大反向工作电压v r使用时所允许加的最大反向电压1 硬特性时，击穿电压为反向伏安特性曲线急剧弯曲 击穿电压v r点的电压值 软特性时，则击穿电压为给定的反向漏电流下的电 压值 正向电压降v f整流二极管通过额定正向电流时，在极间产生的电 压降 最大反向漏电流i r二极管在正弦波最高反向电压下的漏电流 结温t j m整流二极管在规定的使用条件下，所允许的最高温 度 在整流电路中，主要考虑二极管的正向平均电流i f 和最大反向工作电压v r 。单相桥 式整流电路如图2 3 所示。 u 引 图2 3 桥式整流基本电路 f i g u r e 2 3b r i d g er e c t i f i e r b 邪i cc i r c u i t 其工作原理为：d l 、d 3 在u 2 的正半周导通，d 2 、d 4 在u 2 的负半周导通。在负载 上得到的平均电压u d 如式2 1 所示。 ；当7 动2s i i l 训伽) ：o 毗生笋 ( 2 1 ) 兀a 二 式2 1 为可控桥式整流平均电压表达式，由表达式可得不控整流负载电压平均值为 o 9 u 2 。输入交流电压范围为2 2 0 v 1 0 ，即1 9 8 v 2 4 2 v 。 输出功率为l k w ，整机效率按8 5 估算，母线最大电流如式2 2 所示： ，一= 石乏 而= 流过整流二极管的电流平均值如式2 3 所示： 伽一= 等= 警以3 彳 ( 2 3 ) 二极管承受反向耐压：由图2 3 所示对于同一桥臂上的两只二极管，当一只二极管导 7 西安理工大学硕士学位论文 通时，另一只关断的二级管承受反向最大电压u r ，为交流电压的峰值即式2 4 所示。 u 尺= 2 u 2 m a ，【= 2 2 2 0 1 1 3 5 0 y ( 2 4 ) 在工程上一般选取二极管留有2 倍裕量，这里选择i f 为7 a ，v r 为7 0 0 v 或以上工频 整流的管子，为了使用方便，也可选用将单相整流桥封装在一起的“硅桥”或“桥堆”的 整流管。 2 2 2 输入滤波电路设计 滤波电路是利用电抗元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。由电容的等效阻抗公式： x c = 1 2 咖可得频率越大容值越大则阻抗越小，对于交流信号呈现低阻特性。滤波后既可 滤除一些交流分量，又可保留直流分量，依靠改变交直流的比例，从而减小电路的脉动系 数，优化了直流电压的质量。在整流电路后并联大电容滤波，是小功率电路常用方法。理 论上来说，电容越大，负载越重，吸收电流的能力越强，那么这个大电容的容量也就越大。 按照上节所说，整流后的母线电压约为3 5 0 v ，考虑裕度后选用滤波电容耐压为4 5 0 v 或 以上参数的器件。其容量与负载电阻一般要满足下式：其中r 为负载电阻，c 为滤波电 容，t 为工作频率。 解( 3 5 ) 吾 ( 2 5 ) 本设计整流后的2 脉直流电频率为1 0 0 h z ，负载按3 0 q 带入2 5 式得到： c 5 ( o o l 2 3 0 ) = 8 3 3 心，电容值越大滤波效果相对越好。 在满足理论的基础上，结合经验值选取滤波电容为4 5 0 v 1 0 0 0 f ，放电电阻5 l 5 w 。 2 2 3 逆变电路设计 逆变电路是主电路的核心部分，它由四个全控开关管构成的h 桥电路，每个开关管 上反并联一个二极管。由控制电路来控制它们的轮流导通和关断，从而使其输出s p w m 波。具体构成如图2 4 所示。 8 图2 4 逆变电路结构图 f i g u 他2 4i n v e r t e rc i r c u i ts n u c t u 托 随着电力电子技术和封装技术的发展开关管得到了飞速的发展。早期功率器件有 2 变频模块主电路设计 g t o 、g t r 其都是通过控制极注入或抽取电流信号来控制器件的通断( 即电流控制型) 。 目前，依靠控制极建立的电场提供电压信号实施通断( 即电压控制型) 的功率m o s f e t 和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等成为主流。 i g b t 器件结构来源于v d m o s f e t1 1 5 l 。它是集成功率m o s f e t 和g t r 于一身的复 合器件。g t r 、功率m o s f e t 、i g b t 的特点如表2 2 ，所示其良好的特性很适合在中频 电源领域中应用【1 6 】【1 7 1 。 i g 表2 - 2g t r 、功率m o s f e t 、i g b t 特点比较 t a b l e 2 2t h r e ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r e d 优点缺点 g t r 双极型电流驱动器件，阻断电压工作速度较慢，驱动电流大，控制电路 高，载流能力强较复杂 功率单极型电压驱动器件，工作速度导通电阻较大，电流容量也较低 m o s f e t 快，输入阻抗高，热稳定性好 i g b t导通电阻低，输入阻抗高，高耐 关断有拖尾现象，受到寄生晶闸管闭锁 压，开关速度快，载流能力强效应的限制 “ 表2 3i g b t 主要特性参数 t a b l e 2 3i g b tm a i nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ? 连续集电极电流i c规定的壳温到额定结温时的集电极直流电流 脉冲集电极电流i c m 温度极限内l g b t 的峰值电流可以超过额定的连续 ： 直流电流的极限值 ： 集电极发射极电压由其内部脚巾晶体管的击穿电压确定，为了避免 p n 结击穿，i g b t 两端的电压决不能超过这个额定 电压值 栅极发射极电压v g e 栅极电压受栅极氧化层的厚度和特性限制。通常应 限制在2 0 v 以内 最大集电极电流i c ( m 神 包括额定直流电流i c 和l m s 脉宽最大电流l c p 最大集电极功耗p c m 正常工作温度下允许的最大功耗 钳位电感负载电流i 州在电感负载电路中，这个额定值能够确保电流为规 定值时i g b t 能够重复开断，也能够保证i g b t 同 时承受高电压和大电流 2 5 和1 0 0 时的最大功率p d 计算娥= 加 结温t j器件能在5 5 1 0 0 的标准温度范围内正常工作 最大工作频率最大工作频率与导通损耗有直接关系 9 西安理工大学硕士学位论文 在实际选择中，主要考虑集射极电压和最大集电极电流。不难看出，i g b t 集射极承 受最大电压m 戡为直流母线电压的峰值，如式2 6 所示 p 如m 舣= 2 c ，m a x = 2 2 2 0 1 1 3 4 2 y ( 2 6 ) 最大集电极电流b ：由p = 明u - ；o 9 u ，整机效率按8 5 计算可得： 七懈：磊i 芈。6 蒯 ( 2 7 ) 。c 懈2 丽丽赢；丽蛐两月 u ， 一般管子选取要留有一定裕量，可选取集射极电压v c e 为6 0 0 v ，最大集电极电流i c ( m 积) 为1 0 a 或以上靠近i g b t 电压电流等级的管子。对于反并联二极管，多数厂商都将其与 i g b t 封装在一起，二极管的过流过压能力与i g b t 相当。 根据实际应用，在选用i g b t 时应当综合考虑以下几个方面【1 8 1 ： 首先，i g b t 在运行过程中，一些主要参数要保证在最大额定值范围内。其次，在关断或 过载条件下，集电极峰值电流必须处在小于2 倍的额定电流范围之内。不论负载变化，集 电极最大电流必须在安全工作区范围内。最后，管子的工作结温要保持在正常允许的温度 范围内。 2 2 4i g b t 保护电路设计 为使i g b t 正常工作，设计合理的过压保护电路还是很有必要的。一般的，i g b t 因 过压而损坏的原因主要有：集射极过压、栅射极过压，高d v d t 的过压等。 1 集射极过压保护电路 i g b t 集射极过压主要有两种：一是由于在输入级交流电异常从而导致母线电压异常 而引起的直流过压。二是由于i g b t 开关频率过高以及电路中存在分布电感的缘故会使之 产生高的浪涌电压即l d 砌t 。防止i g b t 集射极过压的解决方法有： i g b t 选型时应考虑一定的安全裕量；为减小分布电感，应使电解电容靠近i g b t ； 选择合适的r g 尽可能减小d 拙；为了旁路高频浪涌电压，设计合适的缓冲电路。 图2 5 所示是几种常用的缓冲电路：c 缓冲电路、r c 缓冲电路、r c d 缓冲电路、放 电阻止型缓冲电路。 ( a ) c 缓冲电路( b ) r c 缓冲电路( c ) r c d 缓冲电路 ( d ) 放电阻止型缓冲电路 图2 5 缓冲保护电路 f i g u r e 2 5b u 航rp r o t e c t i o nc i r c u i t 对于c 缓冲电路来说，其电路简单，但由缓冲电容和分布电感构成的谐振电路会产 生电压振荡。r c 缓冲电路适用于斩波电路，使用时应注意缓冲电阻的阻值应该随着i g b t l o 2 变频模块主电路设计 容量的增大而增大，否则在导通状态下i c 过大，会限制i g b t 的功能。r c d 缓冲电路比 r c 缓冲电路多了缓冲二极管，避免了i g b t 导通时功能受阻的情况。放电阻止型缓冲电 路，电路结构较以上三种电路复杂，但其产生的损耗小，适合于高频场合。由于本设计应 用于小功率场合，且对电路体积要求严格，所以选择r c 缓冲电路。 2 栅射极过压保护电路 i g b t 的栅极和发射极之间通过一层很薄的氧化膜实现电隔离，其击穿电压为2 0 一3 0 v 所以栅射极击穿是i g b t 损坏的主要原因之一。因此为了保证驱动电压v g e 不超过栅射极 之间的击穿电压，设计适当的栅极限幅电路是很有必要的。如图2 - 6 为栅极限幅电路。 图2 6 栅极限幅电路 藿 妻 f i g u r e 2 - 6g r i da m p l i t u d e1 m i tc i r c u i t 静电聚积于栅极电容和电容密勒效应是引起栅极过压的两个主要原因。为了防止以上 过压的发生，可在栅射极间并联一个阻值为几十千欧的电阻，并且在布线时应靠近栅射极。 一般+ v g 一1 5 1 0 v ，一v g = 5 1 0 v 。 2 2 5 输出滤波电路设计二 i g b t 作为高速开关器件，在提高变频模块性能以及降低动态损耗的同时，也产生了 一些不利因素1 9 】：输出含有的高频谐波会增加电缆、电机和变压器的损耗；开关频率的 提高会使变频输出的s p w m 波的d v d t 很高，这就会导致很高的电磁干扰和负载端的过电 压等问题。为了消除谐波电流和高速开关引起的过电压问题，在输出端设计r l c 滤波电 路可滤除s p w m 的高频谐波使其输出电压近似为正弦电压波形。该滤波电路不但结构简 单而且容量大可靠性高。图2 7 所示为滤波电路结构图。 巧ri 逆 l 千 变 i 器 髟圭 图2 7r l c 滤波器等效电路图 f i g u r e 2 7r l c f i l t e re q u i v a l e n tc i r c u td i 楚阳m 由上图可得r l c 二阶低通滤波的传递函数为： 西安理工大学硕士学位论文 ：堡：一一昙型一：毒纽噬 赡c s 2 + r c s + l s 2 + 2 o s + o z 其中咖为谐振角频率，喜为阻尼比。 1 咖2 面 扣孺 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 大多情况下为降低滤波器损耗，可去掉阻尼二极管，构成二阶l c 低通滤波器，由低 通滤波器幅频特性可知，在截止频率以上的高频段，幅值衰减较大，能够滤除高频谐波。 而变频输出的谐波分量主要分布在载波频率和以载波频率整数倍为中心的频带上，而这都 属于高频范围。具体在选择时应注意以下几点： ( 1 ) 截止频率：为了使二阶低通i 也c 滤波器在截止频率以上较好的衰减，截止频率最好 应低于载波频率的十分之一并且还要高于基波频率的十倍以上，即1 0 厶 而 厶l o ，其中， 厶为基波频率；而为截止频率；厶为载波频率。在实际运用中，也会出现载波频率很低 的情况，当这种情况发生时上