IGBT模塊：技術、驅(qū)動和應用課件：基本電路與應用實例

基本電路與應用實例IGBT模塊：技術、驅(qū)動和應用IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目錄簡介AC-DC整流器和制動斬波器DC-DC變換器DC-AC逆變器AC-AC變換器31245應用舉例結(jié)論67IGBTModules–Technologies,DriverandApplication簡介整流:AC/DC變換器直流變換:DC/DC變換器或斬波器逆變:DC/AC逆變器交交變換:AC/AC變換器根據(jù)運行方式，電力電子變換器分類：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication簡介外部換流內(nèi)部換流換流：在變換器的運行期間（通常）電流周期性的從一個半導體開關換流到另一個半導體開關。這個過程被稱為電流換流或換流。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication簡介典型應用及變換器拓撲AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationAC-DC整流器AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationLN=0H時，輸入電流為：AC-DC整流器直流平均電壓Udi(B2)為：過零換流AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationAC-DC整流器電阻電阻電阻AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication當LN>0時，由于輸入阻抗LN的影響使得iN(ωt)=-id(ωt)到iN(ωt)=id(ωt)發(fā)生換流延時。對于電流，在換流期間，由下式計算：輸入阻抗上的電壓為：輸出平均電壓Ud(B2)會降低，即：AC-DC整流器AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication輸出加入濾波電容，輸入電流產(chǎn)生畸變和相移AC-DC整流器：電容濾波AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication利用充電電阻給電容充電，一旦電容器充電到合適的電壓，通過繼電器或者接觸器短路該電阻。軟充電單元510V閉合開關S1560V閉合開關S2AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication浪涌電流應力導致整流器二極管失效浪涌電流導致失效AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication制動斬波器消耗再生制動能量AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication不需要制動電阻再生的能量反饋到電網(wǎng)主動前端：SCR需要有源逆變單元機構(gòu)和控制復雜存在換流失敗的可能AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication需要IGBT，且IGBT的快恢復續(xù)流二極管承受浪涌電流的能力較弱需要額外的預充電單元給直流母線電容充電主動前端：IGBT可以避免相控晶閘管再生發(fā)電過程中容易發(fā)生的換流故障當使用IGBT時，需要設計合適的直流母線電壓通過IGBT控制可以實現(xiàn)有源功率因數(shù)控制AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

啟動時：每個輔助開關分別與相對應的開關VT1、VT3和VT5共發(fā)射極串聯(lián)連接，通過PWM控制給直流母線充電，這樣就可以限制電力半導體器件的電流。

正常工作：輔助開關開通（引入額外通態(tài)損耗，提高驅(qū)動電壓）主動前端：IGBT輔助主動開關AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication維也納整流器有源開關器件（IGBT）的數(shù)量減少一半開關頻率低，開關損耗低所需有源開關的電壓等級降低一半（不考慮開關過電壓）通過IGBT控制可以校正功率因數(shù)AC-DC整流器和制動斬波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication相對于中性點Ｎ，每個橋臂可以輸出三個電壓：+0.5UDC、0和-0.5UDC三電平特性DC-DC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication降壓BUCK變換器：占空比D電壓Uout（電感伏秒平衡/CCM）DC-DC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication斷續(xù)模式（DCM）：1臨界狀態(tài)：2連續(xù)模式（CCM）：3降壓BUCK變換器：電壓Uout（電感伏秒平衡/DCM）或DC-DC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationBUCK在感應加熱中的應用：電流源輸出電壓Uload，直流母線電流Idc(電流通過L1)和輸出電流ILr（電流通過Lr

）與變換器占空比D之間的關系。D=0.2D=0.6DC-DC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication升壓型BOOST變換器：CCM輸出電壓：DCM模式時，輸出電壓：或DC-DC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication升降壓型變換器BUCK和BOOST組合BUCK-BOOST升降壓型變換器CCM模式下的輸出電壓為DCM模式下的輸出電壓為DC-DC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationCCM模式輸出電壓DCM模式輸出電壓SEPIC電路DC-DC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationH橋電路電阻負載：1和3象限工作阻感負載：四象限圖運行DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication電壓源逆變器VSI的半橋電路中，輸出電壓可以在兩種電平（±1/2UDC）之間轉(zhuǎn)換，因此VSI也稱為兩電平電壓變換器DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication感應電動機兩電平電壓變換器驅(qū)動的仿真結(jié)果仿真參數(shù)：DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication多電平逆變器兩電平輸出電壓波形三電平輸出電壓波形兩電平逆變原理三電平逆變原理DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication多電平逆變器DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication接地點對三電平逆變器中IGBT模塊絕緣等級的影響多電平逆變器絕緣4.5kV標稱電壓10.2kV交流絕緣碳化硅鋁（AlSiC）基板DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication級聯(lián)型多電平（CCML）逆變器DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication損耗降低輸出濾波器更小輸出電壓或電流的失真度降低電磁兼容（EMC）性能得到提升系統(tǒng)成本降低相對于兩電平逆變器，三電平逆變器有許多優(yōu)點DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication三電平模塊/三電平橋臂FS3L50R07W2H3F_B11F3L225R07W2H3P_B63DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication三電平逆變器模塊選擇DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication電流源逆變器電流源逆變器（CSI）：直流母線中需要串一個扼流線圈，使得直流母線電流幾乎保持恒定不變。開關器件：阻斷雙向電壓DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationZ源逆變器可以提升輸出電壓可通過直流母線電感來限制直流母線電容的浪涌電流Z源逆變器特性：DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication有效態(tài)（AS）：IGBTVT1和VT4或VT2和VT3有效（狀態(tài)是“開”）

0態(tài)（ZS）：IGBTVT1和VT3或VT2和VT4有效（狀態(tài)是“開”）短路態(tài)（SS）：IGBTVT1和VT2或VT3和VT4有效（狀態(tài)是“開”）Z源逆變器有三種不同的運行狀態(tài)：短路狀態(tài)持續(xù)的時間成為tss，短路電流占空比Dss為tss與開關總周期T的比值，即DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationZ源逆變器（單相）開關狀態(tài)DC-AC逆變器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication如果輸入電壓高于倍輸出電壓的有效值或峰值時，Z源逆變器可以當作一個標準的逆變器如果輸入電壓高于倍輸出電壓的有效值或峰值時，Z源逆變器內(nèi)部的升壓功能開始起作用根據(jù)輸入電壓與期望輸出電壓之比，Z源逆變器的兩種常見模式，即：在T-tss或1-Dss時間段內(nèi)：B是升壓系數(shù)，表明輸入與輸出側(cè)之間的電壓增益三相電路，母線電壓UDC和輸出電壓的關系：m是調(diào)制系數(shù)由上面兩式可得：AC/AC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication直接把電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d需要的電壓，即直接矩陣逆變器（DMC）在這類結(jié)構(gòu)中，開關必須能夠雙向?qū)娏髑译p向阻斷電壓矩陣逆變器AC/AC變換器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication不需要儲存能量電網(wǎng)電流為正弦功率因數(shù)接近于1降低輸入濾波器的成本減小了體積，增大了功率密度間接矩陣變換器在直接矩陣變換器基礎上演變出一種兩階的間接矩陣變換器(IMC)，在簡化電流換流的同時保持了DMC的優(yōu)點。應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication伺服驅(qū)動伺服系統(tǒng)中浪涌電流對于IGBT模塊性能的影響應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication不間斷電源UPS在線UPS也稱作雙變換UPS，其系統(tǒng)效率低于1，優(yōu)點是電網(wǎng)側(cè)的電壓跌落及電壓波動不會影響到用戶（負載）側(cè)；離線式UPS的效率接近1，只有當電網(wǎng)出現(xiàn)故障，才開始運行于逆變器模式不間斷電源(UPS)：“在線”式UPS和“離線”式USPS應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication三相兩電平變壓器隔離和無變壓器隔離的UPS不間斷電源UPS應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication太陽能逆變器太陽能電池板和光伏逆變器的組合結(jié)構(gòu)應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication光伏逆變器拓撲應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication風力發(fā)電MSC：機側(cè)變流器

LSC：網(wǎng)側(cè)變流器典型參數(shù)：發(fā)電機電壓：3x690V轉(zhuǎn)子頻率：50Hz直流母線電壓：n.a.交流輸出電壓：3x690VIGBT開關頻率：n.a.IGBT電壓等級：n.a.典型參數(shù)：發(fā)電機電壓：3x500V/690V/960V轉(zhuǎn)子頻率：0…65Hz直流母線電壓：650V/1.1Kv/1.8kV交流輸出電壓：3x500V/690V/960VIGBT開關頻率：3…4kHz/3…4kHz/

0.5…1kHzIGBT電壓等級：1.2kV/1.7kV/3.3kV應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication風力發(fā)電MSC：機側(cè)變流器

LSC：網(wǎng)側(cè)變流器典型參數(shù)：發(fā)電機電壓：

3x690V轉(zhuǎn)子頻率：

變化直流母線電壓：1.1kV交流輸出電壓：3x690VIGBT開關頻率：2.25kHzIGBT電壓等級：1.7kV應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication網(wǎng)側(cè)變換器和機側(cè)變換器的結(jié)溫△Tj波動比較風力發(fā)電Tj,maxTj,minfout[Hz]應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication電力牽引鐵路電力系統(tǒng)標準應用舉例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication高溫度循環(huán)能力，一般需要采用AlS