晶体管变频器及其衍生

    晶体管包括晶体二极管和晶体三极管。电力电子器件技术的发展使得晶体管生产工艺技术不断得到改进，现已经能生产额定电压1000V，额定电流300A，容量为几百个千伏安的电力晶体管，并已模块化，完成了从GTR到IGBT、IPM的过渡。

    现在的晶体管电力电子器件以高耐压、大电流、高电流放大倍数、驱动和保护良好为特征，使其在变频调速技术中扮演越来越重要的角色，已经逐步取代了以晶闸管为开关元件的晶闸管变频器。

    变频器的主回路如图1.19所示，其中D1～D6是全桥整流电路中的二极管；D7～D12这6个二极管为续流二极管，作用是消除三极管开关过程中出现的尖峰电压，并将能量反馈给电源；L为平波电抗器，作用是抑制整流桥输出侧输出的直流电流的脉动使之平滑；T1～T6是晶体管开关元件，开关状态由基极注入的电流控制信号来确定。

    变频器的各部分组成及功能描述如下。

   (1)整流桥

    整流部分由6只整流管组成三相整流桥，将电源的三相交流全波整流成直流，如电源的进线电压为UL，则三相全波整流后平均直流电压UD的大小为UD=1.35UL。

    我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压为UD=1.35UL=1. 35×380=513 (V)。

   (2)滤波电容器

    滤波电容C1和C2的作用是：滤平全波整流后的电压纹波；当负载发生变化时，使直流电压保持平稳。

   (3)缓冲电阻和触点开关

    在变频器合上电的瞬间，滤波电容器C1和C2上的充电电流比较大，过大的冲击电流将可能导致三相整流桥损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间里，电路内串入缓冲电阻R1，以限制电容器C1、C2上的充电电流。当滤波电容C1、C2充电电压达到一定程度时，令触点开关J1接通，将R短路掉。

   (4)逆变模块

    逆变模块是由6只IGBT管和6只续流二极管组成，通过控制IGBT管的开关顺序和开关时间，变频器将直流电（图1.19中的Udc）变成频率可变、电压可变的交流电。电压波形为脉宽调制波（图1. 19中的uout）。

    图1.19    变频器的主回路和波形

    晶体管变频器的电路优点包括以下几点：不需要换流回路，可做到体积小、效率高；一旦有过电流或短路发生，可自动关断基极控制电流来实现逆变器回路的自关断；可实现高功率因数运行。

    现在的晶体管变频器已经更多地趋向于采用第三代智能功率模块IPM系列产品，它采用第三代IGBT来代替传统的功率MOSFET和双极型达林顿管，并配以功能完善的控制及保护电路，构成了一种理想的高频软开关模块。这类模块特别适用于正弦波输出的变压变频( VVVF)式变频器中。IPM系列产品的内部框图如图1.20所示。模块内部主要包括欠压保护电路、驱动IGBT的电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。由该系列产品配16位单片机后即可构成通用VVVF变频器。

    图1.20    IPM系列产品的内部框图

   IPM智能化功率模块的主要特点如下：

   1)它内部集成了功率芯片、检测电路及驱动电路，使主电路的结构为最简；

   2)其功率芯片采用的是开关速度高、驱动电流小的IGBT，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片以安全的保护；

   3)在内部配线上将电源电路和驱动电路的配线长度控制到最短，从而很好地解决了浪涌电压及噪声影响误动作等问题；

   4)自带可靠的安全保护措施，当故障发生时能及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实施双重保护，以保证其运行的可靠性；

   5)由于集成度的提高使变频驱动器的体积有条件向小型化发展，以及简易化的功率驱动电路使得工程师们可以有更多时间专注于控制算法研究。