安徽理工大学毕业设计(论文)
1.整流电路
整流电路是把交流电变换为直流电的电路。本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍[5]。
2.逆变的基本工作原理
将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下： （1）单相逆变电路
在图3.2的单相逆变电路的原理图中：
当S1、S4同时闭合时，Uab电压为正；S2、S3同时闭合时，Uab电压为负。 由于开关S1～S4的轮番通断，从而将直流电压UD逆变成了交流电压Uab。 可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂中的两个开关如：S1、S2交替导通，每个开关导通?电角度。因此交流电的周期（频率）可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压的幅值为直流电压幅值UD。
图3.2 单相逆变器原理图
22
安徽理工大学毕业设计(论文)
（2）三相逆变电路
三相逆变电路的原理图见图3.3所示。
图3-3中，S1～S6组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在
输出端得到一个相位互相差2?的三相交流电压。
3当S1、S4闭合时，uU?V为正；S3、S2闭合时，uU?V为负。 用同样的方法得：
当S3、S6同时闭合和S5、S4同时闭合，得到uV?W,S5,S2同时闭合和S1、S6同时闭合，得到uW?U。
为了使三相交流电uU?V、uV?W、uW?U在相位上依次相差2?；各开关的接通、
3uV?W、关断需符合一定的规律，其规律在图3.3b中已标明。根据该规律可得uU?V、uW?U
波形如图3.3c 所示。
a) 结构图 b) 开关的通断规律 c) 波形图
图3.3 三相逆变器原理图
23
安徽理工大学毕业设计(论文)
观察6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：
①各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如S1、S2。 ②各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差2?滞后2?33电角度。如S3比S1,
，S5比S3滞后2?3。
上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过UD的大小来调节。
3.2 主电路参数计算
根据前面所给出的原始参数，主电路各部分的计算如下[6]：
1.整流二极管的参数计算
ImId（峰值电流）= （有效值）= Im/2IN2=2×15.6=22.06A
=15.6A 二极管额定电流值Ie=（1.5～2）Id/1.57=14.91A～19.88A
额定电压值Ue=（2～3）Um=（2～3）×2×380=1074.64V～1611.96V 2.滤波电容
系统采用三相不控整流，经滤波后Ud=1.1×2×380=591.05V。 3.制动部分
制动电阻粗略计算为RBVb?2UdIN～UdIN=18.94?～37.89?
击穿电压：当线电压为380V时，根据经验值选1000V。
集电极最大电流?cm：按照正常电压流经RB电流的两倍来计算：
UdVBICM?2Rb=2×591.05/18.94=62.41A
4.IGBT的选用
24
安徽理工大学毕业设计(论文)
峰值电压=（2～2.5）×1.1×2×380=1182.1V～1477.63V
集电极电流Ic=（1.2～2）Im=（1.2～2）×IN×λ×2=58.23～97.06A 集电极-发射极额定电压≥1.2倍最高峰值电压=1.2×1477.63V=1773.16V 3.3 IGBT及驱动模块介绍 3.3.1 IGBT简介及驱动要求
绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。众所周知，构成IGBT的MOSFET和BJT各有其优缺点。MOSFET属于单极型器件，具有开关频率高、没有二次击穿现象、元件并联运行容易、控制功率小的优点，缺点是导通电阻大，耐压水平不容易提高。BJT属于双极型器件，具有耐压水平高、电流大、导通电压低的优点，缺点是开关时间长，有二次击穿现象以及控制功率大。因此，兼具MOSFET和BJT优点的新型复合器件IGBT应运而生，IGBT具有耐压高、电流大、开关频率高、导通电阻小、控制功率小等优点。并且，随着IGBT技术的发展，其性能不断得到改善和提高，使得IGBT在大功率开关电源设备中的地位越来越重要，如UPS、电焊机、电机驱动、特种工业电源等都使用IGBT模块。由于IGBT在设备中所占成本比例较高，所以掌握好IGBT的特性和正确的使用方法，尽量减少IGBT模块的损坏以降低开发成本和提高整机可靠性，就成为设计者和使用者所必须关心的一个问题.关于IGBT的基本结构、工作原理、主要参数、特性等在电力电子书本里已经有详细介绍，在这里不在赘述[7]。
IGBT是压控器件，栅极输入阻抗高，所需要驱动功率小，驱动较为容易。但必须注意，IGBT的特性与栅极驱动条件密切相关，随驱动条件的变化而变化。
(1)随着栅极正向电压UGE的增加，通态压降减小，开通损耗也减小.若
?UGE固定不变时，通态压降随集电极电流增大而增大，开通损耗随结温升高而
增大。
(2)随着栅极反向电压?UGE的增加，集电极浪涌电流减小，而关断损耗变化不大，IGBT的运行可靠性提高。
(3)随着栅极串联电阻RG增加，将使IGBT的开通和关断时间增加，从而使IGBT开关损耗增加；而RG减小，则又将使didt增大，从而使IGBT在开关过程
25
安徽理工大学毕业设计(论文)
中产生较大的电压或电流尖峰，降低IGBT运行的安全性和可靠性。
通过以上分析可以看出，一个理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能: (1)通常IGBT的栅极电压最大额定值为?20V，若超过此值，栅极就会被击穿，导致器件损坏。为防止栅极过压，可采用稳压管作保护。
(2)IGBT存在2.5～6V(T=25?C)的栅极开启电压，驱动信号低于此开启电压时，器件是不导通的。要使器件导通，驱动信号必须大于其开启电压。当要求IGBT工作于开关状态时，驱动信号必须保证使器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。正向栅极驱动电压幅值的选取应同时考虑在额定运行条件下和一定过载情况下器件不退出饱和的前提，正向栅极电压越高，则通态压降越小，通态损耗也就越小。对无短路保护的驱动电路而言，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常，正向栅极电压取15V。在有短路保护的场合，不希望器件工作于过饱和状态，因为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。此时，栅极电压可取为13V。
另外，为减小开通损耗，要求栅极驱动信号的前沿要陡。IGBT的栅极等效为一电容负载，所以驱动信号源的内阻要小。
(3)当栅极信号低于其开启电压时，IGBT就关断了。为了缩短器件的关断时间，关断过程中应尽快放掉栅极输入电容上的电荷。器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通路。一般栅极反向电压取为-(5～0)V。当IGBT关断后在栅极加上一定幅值的反向电压可提高抗干扰能力。
(4)IGBT栅极与发射极之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由于存在栅极输入电容，所以驱动电路需要提供动态驱动电流。器件的电流、电压额定值越大，其输入电容就越大。当IGBT高频运行时，栅极驱动电流和驱动功率也是不小的，因此，驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。
(5)IGBT是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短，否则会产生过高的集电极尖峰电压。栅极电阻RG对IGBT的开关时间有直接的影响。栅极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，会对器件造成损坏，所以栅极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。栅极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会降低其工作效率和对其安全运行造成危险，所以栅极电阻的上限受到开关损耗的限制。对600VIGBT器件，栅极电阻可据下式确定：
Re=(I～10)×625/Ie
26