[实用新型]改进型高可靠场效应管逆变器

说明书

本实用新型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。

本实用新型的目的在于：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。

本实用新型是采用以下技术方案实现的：本实用新型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。

本实用新型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。