一种实用的逆变桥功率开关管门极关断箝位电路

摘要：针对１kVA高频在线式UPS主功率电路的设计，并结合实际电路调试中所遇到的问题，提出了一种实用的电路——逆变桥功率开关管门极关断箝位电路,它可以有效地抑制开关管门极的干扰，从而提高电路的可靠性；同时给出了部分电路的实验波形和实验结果。
　　关键词：逆变抑制可靠性箝位
　　
　　不间断电源（ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ，简称ＵＰＳ）是一种稳频、稳压、纯净、不间断的高质量电源，随着电子和电器设备对电网质量要求的不断增高，它已经成为许多重要场合必备的辅助电源。
　　
　　１逆变电路及其控制
　　
　　正弦脉宽调制(ＳＰＷＭ)技术在逆变器的控制中得到了广泛应用，正弦脉宽调制方式很多，在此不一一描述。本电路采用的是倍频式的调制方式，下面简单加以介绍。
　　
　　全桥逆变电路的基本结构如图１所示。在倍频式调制方式中，四个开关管的门极脉冲信号Ｖｇ１～Ｖｇ４的产生方法如图２所示。四个开关管门极脉冲信号Ｖｇ１～Ｖｇ４与两桥臂中点Ａ、Ｂ间电压ＶＡＢ的波形也如图２所示。
　　
　　由图２可以看出，在倍频式调制方式中，Ａ、Ｂ间电压频率是开关管工作频率的两倍，这种调制方式的好处在于在不增加开关管工作频率的情况下，可以减小逆变器输出滤波器的尺寸。它的缺点在于四个门极脉冲信号各不相同，提高了控制电路和脉冲发生电路的复杂性。本文提及的逆变电路开关管门极ＳＰＷＭ信号是由数字信号处理器(ＤＳＰ)产生的，对于数字控制电路而言,倍频式调制方式所带来的电路复杂性可以忽略。
　　
　　该电路采用ＩＧＢＴ作为功率开关管。由于ＩＧＢＴ寄生电容和线路寄生电感的存在，同一桥臂的开关管在开关工作时相互会产生干扰，这种干扰主要体现在开关管门极上。以上管开通对下管门极产生的干扰为例，实际驱动电路及其等效电路如图３所示。
　　
　　实际电路中，虚线框部分是ＩＲ２１１０的输出推挽电路，ＲＳ、ＲＰ分别是Ｔ２门极串、并联电阻，Ｚｇ是门极限幅稳压管。当上管Ｔ１开通时，下管Ｔ２门极信号必然为低电平，即Ｍ２导通，Ｍ２两端可等效为一个电阻ＲＭ，这个电阻与ＲＳ、ＲＰ一起等效为电阻Ｒｇ。
　　
　　Ｒｇ＝(ＲＭ＋ＲＳ)／／ＲＰ≈ＲＳ（ＲＭ＜＜ＲＳ＜＜ＲＰ)(１)
　　
　　Ｚｇ两端相当于开路。电容Ｃｇｅ和Ｃｇｃ都是Ｔ２的寄生电容。电感Ｌ是功率电路线路的等效寄生电感，Ｌｇ是驱动电路的线路电感。
　　
　　在Ｔ１开通前，由于互补门极信号死区的存在，Ｔ１、Ｔ２均处于关断状态，桥臂中点电压是高压母线电压ＶＢＵＳ的一半。当Ｔ１开通时，中点电压立刻上升，很高的ｄｖ／ｄｔ使Ｌ和Ｔ２的寄生电容发生振荡，由于Ｌｇ和Ｒｇ的存在且Ｃｇｅ的阻抗也并不足够低，在Ｔ２门极会产生一个电压尖刺。这个电压尖刺幅值随母线电压ＶＢＵＳ和负载电流的增大而增大，可能达到足以导致Ｔ２瞬间误导通的幅值，这时桥臂就会形成直通，造成电路烧毁。同样地，当Ｔ２开通时，Ｔ１的门极也会有电压尖刺产生。
　　
　　图4带有门极关断箝位电路的驱动电路
　　
　　通过减小ＲＳ和改善电路布线可以使这个电压尖刺有所降低，但均不能达到可靠防止桥臂直通的要求。
　　
　　２门极关断箝位电路
　　
　　针对前面的分析，本文将提出一种门极关断箝位电路，通过在开关管驱动电路中附加这种电路，可以有效地降低上述门极尖刺。带有门极关断箝位电路的驱动电路如图４所示。
　　
　　门极关断箝位电路由Ｍ

《一种实用的逆变桥功率开关管门极关断箝位电路》