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。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

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。
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    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。
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    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。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

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，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>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。