一种实用的逆变桥功率开关管门极关断箝位电路
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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（Uninterrupted Power Supply，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MOSFET管MC1和MC2、MC1门极下拉电阻RC1和MC2门极上拉电阻RC2组成。实际上该电路是由MOSFET构成的两级反相器。当MC1门极为高电平时，MC1导通，MC2因门极为低电平而关断，不影响功率开关管的正常导通；当MC1门极为低电平时，MC1关断，MC2因门极为高电平而饱和导通，从而在功率开关管的门极形成了一个极低阻抗的通路，将功率开关管的门极电压箝位在0V，基本上消除了上文中提到的电压尖刺。
在使用这个电路时，要注意使MC2 D、S与功率开关管G、E间的连线尽量短，以最大限度地降低功率开关管门极寄生电感和电阻。在电路板的排布上，MC2要尽量靠近功率开关管，而MC1、RC1和RC2却不必太靠近MC2，这样既可以发挥该电路的作用，也不至于给电路板的排布带来很大困难。
用双极型晶体管(如8050)同样可以实现上述电路的功能。双极型晶体管是电流型驱动，其基极必须要串联电阻。为了加速其关断，同时防止其本身受到干扰，基极同样需要并联下拉电阻，这样就使电路更加复杂。同时，要维持双极型晶体管饱和导通，其基极就必须从电源抽取电流，在通常的应用场合这并无太大影响，但在自举驱动并且是SPWM的应用场合，这些抽流会大大加重自举电容的负担，容易使自举电容上的电压过低而影响电路的正常工作。因此选用MOSFET来构成上述门极关断箝位电路。
图5是在没有门极关断箝位电路的情况下，直流母线电压为100V时T2门极信号的波形。可以看到在门极有一个电压尖刺，这个尖刺与门极脉冲的时间间隔刚好等于死区时间，由此可以证明它是在同一桥臂另一开关管开通时产生的。
图6是在有门极关断箝位电路的情况下，直流母线电压为400V时T2门极信号的波形。此时电压尖刺基本消除。
通过实验验证，该电路确实可以抑制和消除干扰，有一定的使用价值，可以提高电路的可靠性。