IGBT模块：技术、驱动和应用课件：基本电路与应用实例

基本电路与应用实例IGBT模块：技术、驱动和应用IGBTModules–Technologies,DriverandApplication目录简介AC-DC整流器和制动斩波器DC-DC变换器DC-AC逆变器AC-AC变换器31245应用举例结论67IGBTModules–Technologies,DriverandApplication简介整流:AC/DC变换器直流变换:DC/DC变换器或斩波器逆变:DC/AC逆变器交交变换:AC/AC变换器根据运行方式，电力电子变换器分类：IGBTModules–Technologies,DriverandApplication简介外部换流内部换流换流：在变换器的运行期间（通常）电流周期性的从一个半导体开关换流到另一个半导体开关。这个过程被称为电流换流或换流。IGBTModules–Technologies,DriverandApplication简介典型应用及变换器拓扑AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationAC-DC整流器AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationLN=0H时，输入电流为：AC-DC整流器直流平均电压Udi(B2)为：过零换流AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationAC-DC整流器电阻电阻电阻AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication当LN>0时，由于输入阻抗LN的影响使得iN(ωt)=-id(ωt)到iN(ωt)=id(ωt)发生换流延时。对于电流，在换流期间，由下式计算：输入阻抗上的电压为：输出平均电压Ud(B2)会降低，即：AC-DC整流器AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication输出加入滤波电容，输入电流产生畸变和相移AC-DC整流器：电容滤波AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication利用充电电阻给电容充电，一旦电容器充电到合适的电压，通过继电器或者接触器短路该电阻。软充电单元510V闭合开关S1560V闭合开关S2AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication浪涌电流应力导致整流器二极管失效浪涌电流导致失效AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication制动斩波器消耗再生制动能量AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication不需要制动电阻再生的能量反馈到电网主动前端：SCR需要有源逆变单元机构和控制复杂存在换流失败的可能AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication需要IGBT，且IGBT的快恢复续流二极管承受浪涌电流的能力较弱需要额外的预充电单元给直流母线电容充电主动前端：IGBT可以避免相控晶闸管再生发电过程中容易发生的换流故障当使用IGBT时，需要设计合适的直流母线电压通过IGBT控制可以实现有源功率因数控制AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication

启动时：每个辅助开关分别与相对应的开关VT1、VT3和VT5共发射极串联连接，通过PWM控制给直流母线充电，这样就可以限制电力半导体器件的电流。

正常工作：辅助开关开通（引入额外通态损耗，提高驱动电压）主动前端：IGBT辅助主动开关AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication维也纳整流器有源开关器件（IGBT）的数量减少一半开关频率低，开关损耗低所需有源开关的电压等级降低一半（不考虑开关过电压）通过IGBT控制可以校正功率因数AC-DC整流器和制动斩波器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication相对于中性点Ｎ，每个桥臂可以输出三个电压：+0.5UDC、0和-0.5UDC三电平特性DC-DC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication降压BUCK变换器：占空比D电压Uout（电感伏秒平衡/CCM）DC-DC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication断续模式（DCM）：1临界状态：2连续模式（CCM）：3降压BUCK变换器：电压Uout（电感伏秒平衡/DCM）或DC-DC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationBUCK在感应加热中的应用：电流源输出电压Uload，直流母线电流Idc(电流通过L1)和输出电流ILr（电流通过Lr

）与变换器占空比D之间的关系。D=0.2D=0.6DC-DC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication升压型BOOST变换器：CCM输出电压：DCM模式时，输出电压：或DC-DC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication升降压型变换器BUCK和BOOST组合BUCK-BOOST升降压型变换器CCM模式下的输出电压为DCM模式下的输出电压为DC-DC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationCCM模式输出电压DCM模式输出电压SEPIC电路DC-DC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationH桥电路电阻负载：1和3象限工作阻感负载：四象限图运行DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication电压源逆变器VSI的半桥电路中，输出电压可以在两种电平（±1/2UDC）之间转换，因此VSI也称为两电平电压变换器DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication感应电动机两电平电压变换器驱动的仿真结果仿真参数：DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication多电平逆变器两电平输出电压波形三电平输出电压波形两电平逆变原理三电平逆变原理DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication多电平逆变器DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication接地点对三电平逆变器中IGBT模块绝缘等级的影响多电平逆变器绝缘4.5kV标称电压10.2kV交流绝缘碳化硅铝（AlSiC）基板DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication级联型多电平（CCML）逆变器DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication损耗降低输出滤波器更小输出电压或电流的失真度降低电磁兼容（EMC）性能得到提升系统成本降低相对于两电平逆变器，三电平逆变器有许多优点DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication三电平模块/三电平桥臂FS3L50R07W2H3F_B11F3L225R07W2H3P_B63DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication三电平逆变器模块选择DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication电流源逆变器电流源逆变器（CSI）：直流母线中需要串一个扼流线圈，使得直流母线电流几乎保持恒定不变。开关器件：阻断双向电压DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationZ源逆变器可以提升输出电压可通过直流母线电感来限制直流母线电容的浪涌电流Z源逆变器特性：DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication有效态（AS）：IGBTVT1和VT4或VT2和VT3有效（状态是“开”）

0态（ZS）：IGBTVT1和VT3或VT2和VT4有效（状态是“开”）短路态（SS）：IGBTVT1和VT2或VT3和VT4有效（状态是“开”）Z源逆变器有三种不同的运行状态：短路状态持续的时间成为tss，短路电流占空比Dss为tss与开关总周期T的比值，即DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplicationZ源逆变器（单相）开关状态DC-AC逆变器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication如果输入电压高于倍输出电压的有效值或峰值时，Z源逆变器可以当作一个标准的逆变器如果输入电压高于倍输出电压的有效值或峰值时，Z源逆变器内部的升压功能开始起作用根据输入电压与期望输出电压之比，Z源逆变器的两种常见模式，即：在T-tss或1-Dss时间段内：B是升压系数，表明输入与输出侧之间的电压增益三相电路，母线电压UDC和输出电压的关系：m是调制系数由上面两式可得：AC/AC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication直接把电网电压转变为负载需要的电压，即直接矩阵逆变器（DMC）在这类结构中，开关必须能够双向导通电流且双向阻断电压矩阵逆变器AC/AC变换器IGBTModules–Technologies,DriverandApplication不需要储存能量电网电流为正弦功率因数接近于1降低输入滤波器的成本减小了体积，增大了功率密度间接矩阵变换器在直接矩阵变换器基础上演变出一种两阶的间接矩阵变换器(IMC)，在简化电流换流的同时保持了DMC的优点。应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication伺服驱动伺服系统中浪涌电流对于IGBT模块性能的影响应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication不间断电源UPS在线UPS也称作双变换UPS，其系统效率低于1，优点是电网侧的电压跌落及电压波动不会影响到用户（负载）侧；离线式UPS的效率接近1，只有当电网出现故障，才开始运行于逆变器模式不间断电源(UPS)：“在线”式UPS和“离线”式USPS应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication三相两电平变压器隔离和无变压器隔离的UPS不间断电源UPS应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication太阳能逆变器太阳能电池板和光伏逆变器的组合结构应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication光伏逆变器拓扑应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication风力发电MSC：机侧变流器

LSC：网侧变流器典型参数：发电机电压：3x690V转子频率：50Hz直流母线电压：n.a.交流输出电压：3x690VIGBT开关频率：n.a.IGBT电压等级：n.a.典型参数：发电机电压：3x500V/690V/960V转子频率：0…65Hz直流母线电压：650V/1.1Kv/1.8kV交流输出电压：3x500V/690V/960VIGBT开关频率：3…4kHz/3…4kHz/

0.5…1kHzIGBT电压等级：1.2kV/1.7kV/3.3kV应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication风力发电MSC：机侧变流器

LSC：网侧变流器典型参数：发电机电压：

3x690V转子频率：

变化直流母线电压：1.1kV交流输出电压：3x690VIGBT开关频率：2.25kHzIGBT电压等级：1.7kV应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication网侧变换器和机侧变换器的结温△Tj波动比较风力发电Tj,maxTj,minfout[Hz]应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication电力牵引铁路电力系统标准应用举例IGBTModules–Technologies,DriverandApplication高温度循环能力，一般需要采用AlS