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一種實(shí)用的逆變橋功率開關(guān)管門極關(guān)斷箝位電路
摘要：針對１kVA高頻在線式UPS主功率電路的設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際電路調(diào)試中所遇到的問題，提出了一種實(shí)用的電路——逆變橋功率開關(guān)管門極關(guān)斷箝位電路,它可以有效地抑制開關(guān)管門極的干擾，從而提高電路的可靠性；同時(shí)給出了部分電路的實(shí)驗(yàn)波形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：逆變抑制可靠性箝位
不間斷電源（ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ，簡稱ＵＰＳ）是一種穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、純凈、不間斷的高質(zhì)量電源，隨著電子和電器設(shè)備對電網(wǎng)質(zhì)量要求的不斷增高，它已經(jīng)成為許多重要場合必備的輔助電源。
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正弦脈寬調(diào)制(ＳＰＷＭ)技術(shù)在逆變器的控制中得到了廣泛應(yīng)用，正弦脈寬調(diào)制方式很多，在此不一一描述。本電路采用的是倍頻式的調(diào)制方式，下面簡單加以介紹。
全橋逆變電路的基本結(jié)構(gòu)如圖１所示。在倍頻式調(diào)制方式中，四個(gè)開關(guān)管的門極脈沖信號Ｖｇ１～Ｖｇ４的產(chǎn)生方法如圖２所示。四個(gè)開關(guān)管門極脈沖信號Ｖｇ１～Ｖｇ４與兩橋臂中點(diǎn)Ａ、Ｂ間電壓ＶＡＢ的波形也如圖２所示。
由圖２可以看出，在倍頻式調(diào)制方式中，Ａ、Ｂ間電壓頻率是開關(guān)管工作頻率的兩倍，這種調(diào)制方式的好處在于在不增加開關(guān)管工作頻率的情況下，可以減小逆變器輸出濾波器的尺寸。它的缺點(diǎn)在于四個(gè)門極脈沖信號各不相同，提高了控制電路和脈沖發(fā)生電路的復(fù)雜性。本文提及的逆變電路開關(guān)管門極ＳＰＷＭ信號是由數(shù)字信號處理器(ＤＳＰ)產(chǎn)生的，對于數(shù)字控制電路而言,倍頻式調(diào)制方式所帶來的電路復(fù)雜性可以忽略。
該電路采用ＩＧＢＴ作為功率開關(guān)管。由于ＩＧＢＴ寄生電容和線路寄生電感的存在，同一橋臂的開關(guān)管在開關(guān)工作時(shí)相互會產(chǎn)生干擾，這種干擾主要體現(xiàn)在開關(guān)管門極上。以上管開通對下管門極產(chǎn)生的干擾為例，實(shí)際驅(qū)動電路及其等效電路如圖３所示。
實(shí)際電路中，虛線框部分是ＩＲ２１１０的輸出推挽電路，ＲＳ、ＲＰ分別是Ｔ２門極串、并聯(lián)電阻，Ｚｇ是門極限幅穩(wěn)壓管。當(dāng)上管Ｔ１開通時(shí)，下管Ｔ２門極信號必然為低電平，即Ｍ２導(dǎo)通，Ｍ２兩端可等效為一個(gè)電阻ＲＭ，這個(gè)電阻與ＲＳ、ＲＰ一起等效為電阻Ｒｇ。
�。遥纾�(ＲＭ＋ＲＳ)／／ＲＰ≈ＲＳ（ＲＭ＜＜ＲＳ＜＜ＲＰ)(１)
�。冢鐑啥讼喈�(dāng)于開路。電容Ｃｇｅ和Ｃｇｃ都是Ｔ２的寄生電容。電感Ｌ是功率電路線路的等效寄生電感，Ｌｇ是驅(qū)動電路的線路電感。
在Ｔ１開通前，由于互補(bǔ)門極信號死區(qū)的存在，Ｔ１、Ｔ２均處于關(guān)斷狀態(tài)，橋臂中點(diǎn)電壓是高壓母線電壓ＶＢＵＳ的一半。當(dāng)Ｔ１開通時(shí)，中點(diǎn)電壓立刻上升，很高的ｄｖ／ｄｔ使Ｌ和Ｔ２的寄生電容發(fā)生振蕩，由于Ｌｇ和Ｒｇ的存在且Ｃｇｅ的阻抗也并不足夠低，在Ｔ２門極會產(chǎn)生一個(gè)電壓尖刺。這個(gè)電壓尖刺幅值隨母線電壓ＶＢＵＳ和負(fù)載電流的增大而增大，可能達(dá)到足以導(dǎo)致Ｔ２瞬間誤導(dǎo)通的幅值，這時(shí)橋臂就會形成直通，造成電路燒毀。同樣地，當(dāng)Ｔ２開通時(shí)，Ｔ１的門極也會有電壓尖刺產(chǎn)生。
圖4帶有門極關(guān)斷箝位電路的驅(qū)動電路
通過減小ＲＳ和改善電路布線可以使這個(gè)電壓尖刺有所降低，但均不能達(dá)到可靠防止橋臂直通的要求。
�。查T極關(guān)斷箝位電路
針對前面的分析，本文將提出一種門極關(guān)斷箝位電路，通過在開關(guān)管驅(qū)動電路中附加這種電路，可以有效地降低上述門極尖刺。帶有門極關(guān)斷箝位電路的驅(qū)動電路如圖４所示。
門極關(guān)斷箝位電路由ＭＯＳＦＥＴ管ＭＣ１和ＭＣ２、ＭＣ１門極下拉電阻ＲＣ１和ＭＣ２門極上拉電阻ＲＣ２組成。實(shí)際上該電路是由ＭＯＳＦＥＴ構(gòu)成的兩級反相
器。當(dāng)ＭＣ１門極為高電平時(shí)，ＭＣ１導(dǎo)通，ＭＣ２因門極為低電平而關(guān)斷，不影響功率開關(guān)管的正常導(dǎo)通；當(dāng)ＭＣ１門極為低電平時(shí)，ＭＣ１關(guān)斷，ＭＣ２因門極為高電平而飽和導(dǎo)通，從而在功率開關(guān)管的門極形成了一個(gè)極低阻抗的通路，將功率開關(guān)管的門極電壓箝位在０Ｖ，基本上消除了上文中提到的電壓尖刺。
在使用這個(gè)電路時(shí)，要注意使ＭＣ２Ｄ、Ｓ與功率開關(guān)管Ｇ、Ｅ間的連線盡量短，以最大限度地降低功率開關(guān)管門極寄生電感和電阻。在電路板的排布上，ＭＣ２要盡量靠近功率開關(guān)管，而ＭＣ１、ＲＣ１和ＲＣ２卻不必太靠近ＭＣ２，這樣既可以發(fā)揮該電路的作用，也不至于給電路板的排布帶來很大困難。
用雙極型晶體管(如８０５０)同樣可以實(shí)現(xiàn)上述電路的功能。雙極型晶體管是電流型驅(qū)動，其基極必須要串聯(lián)電阻。為了加速其關(guān)斷，同時(shí)防止其本身受到干擾，基極同樣需要并聯(lián)下拉電阻，這樣就使電路更加復(fù)雜。同時(shí)，要維持雙極型晶體管飽和導(dǎo)通，其基極就必須從電源抽取電流，在通常的應(yīng)用場合這并無太大影響，但在自舉驅(qū)動并且是ＳＰＷＭ的應(yīng)用場合，這些抽流會大大加重自舉電容的負(fù)擔(dān)，容易使自舉電容上的電壓過低而影響電路的正常工作。因此選用ＭＯＳＦＥＴ來構(gòu)成上述門極關(guān)斷箝位電路。
圖５是在沒有門極關(guān)斷箝位電路的情況下，直流母線電壓為１００Ｖ時(shí)Ｔ２門極信號的波形�？梢钥吹皆陂T極有一個(gè)電壓尖刺，這個(gè)尖刺與門極脈沖的時(shí)間間隔剛好等于死區(qū)時(shí)間，由此可以證明它是在同一橋臂另一開關(guān)管開通時(shí)產(chǎn)生的。
圖６是在有門極關(guān)斷箝位電路的情況下，直流母線電壓為４００Ｖ時(shí)Ｔ２門極信號的波形。此時(shí)電壓尖刺基本消除。
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路確實(shí)可以抑制和消除干擾，有一定的使用價(jià)值，可以提高電路的可靠性。
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