改进型高可靠场效应管逆变器制造技术

“改进型高可靠功率场效应管逆变器”涉及电气领域中的无源逆变技术，广泛用于不停电电源、交流变频调速等场合。其主要特征是：在功率管的栅极串联两只电阻后再接至触发信号源，在其中的一个电阻上并联二极管，二极管导通方向背向栅极，由此实现“先关断后导通”的逻辑控制，并减少了主电路的过电压和过电流。简化了电路又提高了可靠性。（*该技术在2001年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术涉及电气领域中的无源逆变技术。广泛应用于新能源系统、不停电电源、交流变频调速等场合。逆变器是当代电气领域中最富有生命力的技术。在传统的逆变器中，为防止主电路中同一桥臂的两个功率器件“直通”(即两个功率器件同时导通，引起短路)，电路中设置了一种叫做“先关断后导通”的逻辑控制，另加上复杂的推动单元。其基本的控制思路是同一桥臂的两个功率管任何时刻都不允许同时导通。要开通某一功率管，必须先关断同一桥臂上的另外一只功率管，否则就造成“直通”损坏功率管。在常规的变频电路中，为了防止主电路的“直通”短路，还要加上一种延时功能－－在关断一个功率管之后，还要经过一段延时才允许同一桥臂上的另一只功率管导通。由于逆变器的上桥臂各功率管(如图3中T4、T6、T2)栅极之间的电位变化大，因此常规电路中上桥臂各功率管的栅控电源都使用专用隔离电源、光电耦合器及附加的陡化电路。这样，不仅使电路变得复杂，而且降低了逆变器的可靠性。国内外现有生产厂家是靠电子器件的高可靠性来保证逆变器的可靠性的，但成本很高。本技术的目的在于利用场效应管及其派生器件的本征特点，用简单的方法实现“先关断后导通”的逻辑控制。并恰当地选择电路参数，消除常规电路中的“过电压”、“过电流”现象。大幅度地简化变频电路，提高其可靠性，降低生产成本。本技术是采用以下技术方案实现的本技术的逆变器是利用功率场效应管及其派生器件(IGBT)等设计成的简化逆变器。其技术实质是利用功率场效应管的栅极与源极之间的寄生结电容及控制功率小、反应速度快的特点，使用少量的电子元器件即能构成高可靠性的逆变器。即用功率场效应管及其派生器件的栅极和源极之间的寄生结电容作为逆变器的先关断后导通的延时电容，以大幅度地简化逆变电路。用小功率场效应管实现逆变电路中同一桥臂的两个主功率管互锁。主功率管栅极、源极之间的寄生结电容的充电电阻Ri大于其放电电阻Ri′，以起到消除过电压、过电流的作用。具体电路见附图说明图1，其特征是逆变主电路下桥臂功率场效应管的栅控信号源Uin中串联两只电阻(图1)R4、R5，R5两端并联二极管D1，二极管的导通方向背向功率管的栅极。且满足以下关系R5≥R4。逆变器上桥功率管的栅控信号由小功率场效应管T7(图1)将对应的下桥臂栅控信号Uin倒相后提供，其特征是T7的栅控信号与下桥臂的栅控信号共用一个信号Uin。上桥臂功率管的栅极串联两只电阻R1、R2后接栅控电源U2；两电阻的中点N接小功率场效应管T7的漏极，且R2＞R1。如图4所示，功率场效应管及派生器件其栅极与源极之间有一个寄生的结电容Co，该寄生结电容Co对开通与关断有较大影响。在开关状态使用时，由于触发信号源的输出电阻Ri与寄生结电容Co构成了一个RiCo的时间常数。当外加栅控信号为正时，电容Co两端电压(亦即栅极电压)接指数函数上升，只有当栅极电压达到了开启电压之后，功率管才开始导通。此后，随着栅压的升高，功率管从放大区进入饱和导通。功率管在放大区功耗较大，应当尽量减少处于放大区的时间。因此，一般资料上都强调所谓“强触发”，即尽可能地减小触发器的输出电阻，从而减小充放电时间常数。强触发对提高功率管的开关速度，减小开关耗起到了很好的作用，但也带来了两个方面的缺点一是增加了电路的复杂性，降低了电路的可靠性；二是由于强触发而提高了功率管的开关速度，由此带来较大的主电路di／dt和du／dt，从而产生“过电压”和“过电流”。为了减小“过电压”和“过电流”，又不得不采取相应的保护措施，更增加了电路的复杂性。本技术巧妙地利用功率场效应管的寄生结电容Co，并恰当地选择寄生结电容的放电电阻Ri′，从而使得寄生结电容的放电时间常数较小，使功率管能较快地关断。恰当地选择寄生结电容的充电电阻Ri，使寄生电容的充电时间常数较大。当触发信号为正时，由于充电时间常数的存在，要等一段时间，使寄生结电容Co上的电压(栅压)达到功率管的开启电压才导通。这样就保证了逆变器同一桥臂的两个功率管有一段交接时间，在这一段交接时间内两功率管都不导通，从而实现了先关断后导通的要求。经认真分析发现功率管每开通一次所消耗的能量与触发功率有关。但功率管的开关耗除与触发功率有关外，更重要的是开关耗与开关频率成正比。功率场效应管的频率应用范围甚广，可以用到几百千赫。在工频应用时，由于频率甚低，因此开关耗微乎其微；省去了“强触发”不会引起主电路的效率降低。这样省掉了“强触发”，也就去除了主电路的“过电压”、“过电流”的弊病；可以省去电路中的过压、过流保护，更加提高了电路的可靠性。获得了一举数得的功效。以下结合附图及实施例对本技术作进一步说明图1是本技术的单相逆变器电路图图2是本技术外加辅助栅控电源的单相逆变器电路图图3是本技术用于三相异步电动机变频调速系统电路图图4是功率场效应管寄生结电容示意图。以图3为例，图中E是直流电源。C1是电源滤波电容，C2、C3是辅助栅极电源滤波电容。T1、T2、T3、T4、T5、T6是逆变器的主功率场效应管，T7、T8、T9是辅助换向小功率场效应管。D1、D2是辅助栅控电源整流管，D3、D4、D5是先关断后导通二极管。DW1、DW2、DW3、DW4、DW5、DW6是保护场效应管用稳压管。Y代表压控振荡器。H代表环形分配器。M代表脉宽调制器。A、B、C表示逆变器的输出端，亦即用于交流调速时，三相异步电动机绕组的进线端。Ri是寄生结电容的充电电阻，Ri′是寄生结电容的放电电阻。上桥臂，Ri≈R4＋R10≈R6＋R11≈R2＋R12，Ri′≈R4≈R6≈R2；下桥臂，Ri≈R1＋R19≈R3＋R20≈R5＋R21，Ri′≈R1≈R3≈R5。实施例1图1所示，是本技术的最简单的单相逆变器，图中的功率场效应管T2由输入的变频信号Uin控制通断。变频信号Uin是脉宽为180°的方波，当输入信号为零时，辅助小功率场效应管T7及主功率场效应管T2关断；此时上桥主功率场效应管T1由电压U2经电阻R1、R2提供栅极电压而饱和导通。当输入变频信号Uin由零变正时，辅助小功率场效应管T7首先导通(小功率场效应管反应速度快)。由于T7的导通，N点的电位迅速由E降到零。因为R1很小(几百欧以下)，致使上桥臂T1管的栅源寄生电容Co迅速放电，即T1的栅极电压迅速下降而快速关断；与此同时，尽管变频信号Uin虽已为正，但是T2管的栅极串联电阻R4＋R5的阻值较大，因此T2管的栅源寄生电容的充电时间常数也稍大。这样，就保证了在上桥臂功率管T1关断之后，再待到下桥臂功率管T2的寄生结电容Co充电到开启电压之后才开通；小功率场效应管T7起到了上下两场效应管T1、T2的互锁作用。这样，就实现了传统的“先关断后导通”的逻辑控制。试验证明，在几十千赫的范围内应用时，可以将功率管的开关耗限制在允许的范围内。图1中上桥臂功率场效应管T1的栅控电源U2由自举电压提供。即栅控电源是由主电源E、整流管D2和滤波电容C3等元件构成半波整流电路。其过程如下当下桥臂功率场效应管T2导通时，正电源E经二极管D2向电容C3充电，C3两端电压U2近似等于电源电压E，并以此作为上桥臂功率管T1的栅控电源。电压U2远高于T1管的允许栅极电压，为保证栅极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由功率场效应管（ＩＧＢＴ）等电子元件构成的逆变器，其特征是：ａ．主电路下桥臂功率管的栅控信号源Ｕｉｎ中串联两只电阻Ｒ４、Ｒ５，其中Ｒ５两端并联二极管Ｄ１，二极管的导通方向背向功率管的栅极，电阻Ｒ５≥Ｒ４；ｂ．上桥臂功率管的栅控信号是由小功率场效应管Ｔ７将对应的下桥臂栅控信号Ｕｉｎ倒相后提供。上桥臂功率管的栅极串联两只电阻Ｒ１、Ｒ２后接栅控电源Ｕ２，两电阻的中点Ｎ接小功率场效应管Ｔ７的漏极，其中Ｒ２＞Ｒ１。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：战福忠，余世杰，姜跃炜，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：实用新型
国别省市：34[中国|安徽]