igbt模塊逆變器電路圖設計（二）

IGBT逆變器電路設計

逆變電路中的前級DC-DC變換器部分采用PIC16F873單片機為控制核心，后級DC-AC部分采用高性能DSP芯片TMS320F240為控制核心的全橋逆變電路。為了提升太陽能光伏發電逆變器的效率，可以通過降低逆變器損耗的方式來完成，其中驅動損耗和開關損耗是重點解決對象。降低驅動損耗的關鍵取決于功率開關管IGBT的柵極特性，降低開關損耗的關鍵取決于功率開關管IGBT的控制方式，因此針對驅動損耗和開關損耗的特性提出以下解決方案。

1、驅動電路

驅動電路是將主控制電路輸出的信號轉變為符合逆變電路所需要的驅動信號，也就是說它是連接主控制器與逆變器之間的橋梁，因此驅動電路性能的設計是至關重要的。采用EXB841集成電路構成IGBT的柵極驅動電路如圖3所示，EXB841的響應速度快，可以通過控制其柵極的電阻來降低驅動損耗，提高其工作效率。EXB841內部有過電流保護電路，減少了外部電路的設計，使電路設計更加簡單方便。比較典型的EXB841的應用電路，一般是在IGBT的柵極上串聯一個電阻Rg，這樣是為了可以減小控制脈沖前后的震蕩，而選取適當Rg的阻值則對IGBT的驅動有著相當重要的影響。此次電路在EXB841典型應用電路的基礎上，優化IGBT柵極上串聯的電阻，使其在IGBT導通與關斷時，其電阻隨著需要而有所變化。

圖3:EXB843集成電路構成IGBT的驅動電路圖

具體實施如下：采用Rg2和VD1串聯再與Rg1并聯，當IGBT導通時，由驅動電路內部EXB841的3腳輸出正電壓，VD1導通，Rg1和Rg2共同工作，因為并聯后的總電阻小于每一個支路的分電阻，所以串聯在柵極上的總電阻Rg的值比Rg1，Rg2的值都要小，這樣使得開關時間和開關損耗隨著總電阻值的減小而減少，進而降低驅動損耗。當IGBT關斷時，該驅動電路內部EXB841的5腳導通，3腳不導通，IGBT的發射極提供負電壓，使得與Rg2串聯的VD1截止，Rg1工作，Rg2不工作，此時串聯在柵極上的總電阻Rg的值就是Rg1的阻值，這樣在關斷IGBT時不會因為柵極間的電阻過小而導致器件的誤導通，進而提高了工作效率。

2、軟開關DC-DC變換電路

針對開關損耗，采用軟開關技術。軟開關技術是相對于硬開關而言的，傳統的開關方式稱為硬開關，所謂軟開關技術就是半導體開關在其導通或關斷時的時間很短，使流過開關的電流或加在開關的電壓很小，幾乎為零，從而降低了開關損耗。實質是通過提高開關頻率來減小變壓器和濾波器的體積和重量，進而大大提高變換器的功率密度，降低了開關電源的音頻噪聲，從而減小了開關損耗。當IGBT功率開關管導通時，加在兩端的電壓為零稱為零電壓開關，IGBT關斷時，流過其上的電流為零稱為零電流開關。由于IGBT具有一定的開關損耗，所以采用移相全橋零電壓零電流PWM軟開關變換器（如圖4所示），結構簡單沒有有損元件，減少了IGBT尾電流的影響，進而減少了開關損耗，提高了逆變器的效率。

圖4：軟開關DC-DC變換電路圖

Q1～Q4是4個IGBT功率開關管，其中Q1和Q3為超前臂，Q2和Q4為滯后臂，Q1和Q3超前于Q2和Q4一個相位，當Q1和Q4關斷，Q2和Q3導通時，UAB兩端電壓等于V1兩端電壓，電容器C1被電源電壓V1充電。當Q3由導通到關斷時，電容器C3被充電，電感L1釋放能量，使得電容器C1諧振放電，直到電容器C1上的電壓為零，使Q1具備了零電壓導通的條件，同理可知超前臂Q3的零電壓導通原理。當Q1和Q4導通，Q2和Q3關斷時，AB兩端電壓等于V1兩端電壓，電容器C3處于充電狀態，當Q1和Q4持續導通時，電感L2與電容C8產生諧振，因此，電容C8被充電。當Q1由導通到關斷時，電容C1被充電，使得C3開始放電，AB兩端電壓減小，使得C8諧振放電，C8持續放電，最后使得二極管D7續流，Q4的驅動脈沖持續下降直到零，最終完成了Q4的零電流關斷。同理可知滯后臂Q2的零電流關斷原理。

因此可以說超前臂Q1和Q3分別通過并聯電容器C1和C3來完成零電壓導通和關斷，進而減小開關損耗；滯后臂Q2和Q4則是通過輔助電路中對C8放電，使流過變壓器原邊的電流減小到零進而完成零電流導通和關斷。

電路模擬結果

根據以上電路設計，實驗模擬結果如圖5所示。

一般電路波形接近方波部分說明其輸出含有較多的諧波分量，這樣會使系統產生不必要的附加損耗，如圖5是采用IGBT的改進電路，其波形很接近正弦波，理想的正弦波其總諧波畸變度為零，但實際生活中很難達到這樣的水準，因此基本達到要求，同時由于PIC16F873單片機具有多路PWM發生器，又具有更好的輸出正弦波的特點，因此驗證了設計的可行性，達到了預期效果。

通過對器件的比較與分析，電路的改進與優化，集成電路EXB841本身內部含有過電流保護電路，解決了絕緣柵雙極晶體管IGBT對驅動電路部分的要求，而且減少了外部電路的設計，使得整個設計過程簡單、方便。軟開關技術則解決了IGBT導通與關斷時流過電流與其上電壓過大的問題，最終整個系統的驅動損耗和開關損耗大大減少，輸出波形是較為穩定的正弦波，進而提高了整個系統的工作效率。