小功率并网逆变器驱动电路设计

第４４卷　第ｌ２期　２０１１正　Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２０１１　ｌ２月　小功率并网逆变器驱动电路设计　冉成科　，夏向阳　，唐卫波　（１．湖南机电职业技术学院汽车工程系，长沙４１０１５１；　２．长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙４１００７７）　摘要：并网逆变器作为分布式发电系统中的重要设备之一，其驱动电路的设计尤为重要。针对并网逆变器中对驱　动电路的实际要求，提出了一种由分立元件组成的高性能驱动电路设计方案。实验结果表明，该驱动电路结构简　单、安全可靠，同时具备良好的驱动性能，完全满足并网逆变器主电路的驱动要求，具有较强的实际应用价值。　关键词：并网逆变器；ＩＧＢＴ；驱动电路　中图分类号：ＴＮ７０２；ＴＭ４６４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—６８４８（２０１１）１２－００７６．０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄｒｉｖｅｒ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　Ｌｏｗ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｉｒｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＲＡＮ　Ｃｈｅｎｇｋｅ　，ＸＩＡ　Ｘｉａｎｇｙａｎｇ　，ＴＡＮＧ　Ｗｅｉｂｏ。　（１．Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１０１５１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｃｉａｌ　Ｅｎｇｉｅｅｒｉｎｎｇ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆＳｃｉｏｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００７７，Ｃｈｉａ）ｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｄｉｓｔｉｂｕｔｒｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｈｉｃｈ　ｂｅｃｏｍｅ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｉｔ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ　ｏｆ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｌｓｏ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ａｃｔｕａｔｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｆｕｌｌｙ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ａ　ｓｔｒｏｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｉｒｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＩＧＢＴ；ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　０　引　言　分布式发电具有节能、环保、投资少、占地小、　损耗低、效率高、系统可靠性高、能源种类多等优　点，是一种新型的能源综合利用方式，得到了世界　为并网逆变器研制的关键之一。针对目前小功率并　网逆变器驱动电路存在成本高等问题，提出了一种　简单经济实用的驱动电路设计方案，该电路采用分　立元件实现。实验结果表明，该电路具有良好的驱　动性能，从而验证了设计的可行性。　各国研究人员的广泛关注，将成为２１世纪电力工业　发展的方向之一　ｌＪｏ并网逆变器作为分布式发电系　统与电网之间的接口设备，其性能对提高发电效率，　降低成本具有重要的意义。ＩＧＢＴ是ＭＯＳＦＥＴ与ＧＴＲ　的复合器件，即具有ＭＯＳＦＥＴ的响应速度快、输人　１　并网逆变器主电路及工作原理　单相电压型并网逆变器拓扑结构如图１所示。　通过功率器件（ＩＧＢＴ）的换相，直流能量转换成适合　于馈人电网的交流能量，由于电网反映电压源的特　阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又具　有ＧＴＲ的载流量大、阻断电压高、导通压降低等多　性，因此馈入电网的能量应以电流源的形式出现。　逆变桥输出的ＳＰＷＭ电压波形通过交流侧滤波作用　转换成符合要求的正弦波电流馈入电网。主电路功　率开关器件的通断由以ＤＳＰ芯片为核心的控制电路　项优点，因此被广泛应用于各种逆变器中。驱动电　路的性能对整个逆变主回路乃至并网逆变器性能的　起着至关重要的作用。其设计是否合理直接关系到　ＩＧＢＴ的安全、可靠使用　。因此，如何设计出具　有良好驱动性能并且经济实用的ＩＧＢＴ驱动电路就成　产生的ＳＰＷＭ波控制信号，经驱动电路隔离、放大　后控制功率开关器件Ｖ１一ｖ４的通、断；最后经滤　波电感馈人与电网电压同频、同相的正弦电流，从　收稿日期：２０１１—０７－０５　基金项目：湖南省教育厅项目（２０１０Ｃ０１５１）　作者简介：冉成科（１９８１），男，硕士研究生，研究方向为电气自动化等。　１２期　冉成科等：小功率并网逆变器驱动电路设计　・７７・　而实现并网发电。　电路结构简单，价格便宜，通常用于中小功率的变　换器中。本设计采用隔离驱动电路，根据实际应用　需要设计的驱动电路如图２所示。其工作原理为：　ＤＳＰ产生的ＰＷＭ信号经电气隔离电路隔离后进而通　电网　过ＬＭ３３９ＡＮ、三极管等元件组成的功率放大电路放　大后控制ＩＧＢＴ的开通与关断。ＬＭ３３９类似于增益不　可调的运算放大器。其输出端相当于一个不接集电　极电阻的晶体三极管，输出端到正电源须接一个电　阻。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的　图１　单相电压型并网逆变器拓扑结构　２　ＩＧＢＴ驱动电路　驱动电路是电力电子变流器的重要组成部分，　其性能是否稳定可靠直接关系到功率变换的成败。　驱动电路最基本的要求就是使功率开关管在各种工　作条件下都能迅速地开通和关断　Ｊ。　ＩＧＢＴ是复合了功率场效应管和电力晶体管的优　点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、　工作速度快、热稳定性好驱动电路简单、通态电压　低、耐压高和承受电流大等优点，因此在电力电子　变换器中使用相当广泛。但是ＩＧＢＴ良好特性的发挥　往往因其栅极驱动电路设计上的不合理，制约着ＩＧ—　ＢＴ的推广及应用。因此设计一种可靠、稳定的ＩＧ—　ＢＴ驱动电路变得尤为重要。　２．１　ＩＧＢＴ的驱动条件　为了使ＩＧＢＴ能够安全可靠地得到开通和关断，　其驱动电路必须满足以下条件　Ｊ：　（１）由于是容性输入阻抗，ＩＧＢＴ对门极电荷集　聚很敏感，因此要保证有一条低阻抗值的放电回路。　（２）门极电路中的正偏压应为＋１２一＋ｌ５　Ｖ，负　偏压一２～一１０　Ｖ。　（３）驱动电路应与整个控制电路在电位上严格　隔离。　（４）ｆ－ｊ极驱动电路应尽可能简单实用，具有对　ＩＧＢＴ的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。　２．２驱动电路设计　ＩＧＢＴ是电压驱动型器件，并有过流保护和短路　保护功能。所设计的并网逆变器采用ＤＳＰ输出ＰＷＭ　信号控制主开关器件ＩＧＢＴ，但该信号为小信号，不　足以驱动开关管，因此需要驱动电路来进行放大。　目前，ＩＧＢＴ驱动电路的形式很多，常用的有：直接　驱动、电流源驱动、双电流源驱动、隔离驱动、集　成模块驱动等。其中，由分立元件构成的隔离驱动　值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电　压基本上取决于上拉电阻与负载的值。该电路中四　路驱动信号按触发相位可分为相位相反的两组。其　中Ｖ１与Ｖ４的驱动信号同相位，Ｖ２与Ｖ３的驱动信　号同相位。该电路采用光耦６Ｎ１３７作为隔离器件实　现了被控ＩＧＢＴ高电压主回路与控制回路的可靠　隔离。　图２驱动电路图　２．３电气隔离电路　当ＩＧＢＴ工作时，快速的开关会使驱动电路的输　入和输出基准之间产生较大的电压摆动，出现大量　的共模噪声，为了避免ＩＧＢＴ对ＤＳＰ的正常工作产　生严重干扰，本文采用了光耦隔离电路，电路如图　３所示。ＩＧＢＴ开关管工作时，需要设计死区时间以　防止下桥臂直通。由于光电耦合器是有上升和下降　延时的，死区时间必须大于二者中较大的值才能保　证上下桥臂不直通。为了尽量缩短死区时间，减少　因此造成的输出谐波分量的增加，需要选用高速光　耦。本文选用光耦６Ｎ１３７作为隔离器件，电路如图　３所示，其上升沿延时典型值为５０　ｎｓ，最大值为　７５　ｎｓ，下降沿延时典型值为１２　ｎｓ，最大值为７５　ｎｓ。　典型供电电压为５　Ｖ，能够提速度为１０Ｍ　ｂｉｔ／ｓ，共　模抑制比为１０　０００　Ｖ／　ｓ，完全满足ＩＧＢＴ驱动隔离　电路的要求。　・７８・　５Ｖ　▲１Ｉ｝知　４４卷　１　Ｒ　２２０　一　—Ｌ６　＝＝　ｌ　Ｒ０　ｌ…　Ｌ　２Ｋ　＿，、　．　　：。　３　４　５　Ｉ　Ｊｌ　ＩＩＩ。　～／ｆｒ　／　。．　＼　：　・　。Ｊ。－｜　　ｌ０　：　。　．．　＿　ｌ．　．图３电气隔离电路　／　。～、√　　Ｉｌ　３　实验结果　根据上述分析，设计了驱动电路并进行了实验。　－ｌＵｌＶｔｌｒ．ｉｔ＇￣…图６满载时输出电压波形　采用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７作为主控芯片，ＳＰＷＭ的产生是　通过事件管理模块（ＥＶＭ）的全比较来实现。采用ＤＳＰ　的全比较功能产生ＰＷＭ波形的示意图如图４所示。　２ＴＴ］厂ＴＴ　Ｐ　：厂Ｔ　Ｌ　：：厂厂。．　删　Ｐ叫ｉ；ｉ　ｉ　ｆ＿＿　图４　ＤＳＰ中ＳＰＷＭ波形的生成　ＤＳＰ输出ＳＰＷＭ脉冲信号通过隔离驱动电路将　信号放大后驱动逆变主电路工作，空载时的输出电　压波形如图５所示。而满载时输出电压波形如图６　所示。实验结果表明，硬件设计符合并网逆变器驱　动电路的要求。　！　’　！　Ｉ　。　厂、　＼　。，　＼¨ｌ／　－　＼　ｌ＼ｌ／　：　图５空载时输出电压波形　４　结论　驱动电路性能的优劣是对于主电路的安全、可　靠运行至关重要，高性能驱动电路的开发和设计是　实际应用中的难点之一。本文所设计的驱动电路采　用分立器件组成，该电路结构简单，价格便宜，可　靠性高。并可根据具体使用情况灵活改变参数，出　现故障时易于维护。同时采用光耦隔离的方式，很　好地实现了主电路与ＩＧＢＴ控制电路间的有效隔离，　提高了驱动电路的可靠性。实验结果表明，该设计　方案的可行，能够满足ＩＧＢＴ主电路驱动要求，具有　广阔的应用前景。　参考文献　［１］　梁有伟，胡志坚，陈允平．分布式发电及其在电力系统中的应　用研究综述［Ｊ］．电网技术，２００３，２７（１２）：７１—７６．　［２］　陈道炼．ＤＣ—ＡＣ逆变技术及其应用［Ｍ］．北京：机械工业出　版社。２００５．　［３］　张月梅，黄建国，张羽丰．影响ＩＧＢＴ驱动电路性能参数的因　素分析［Ｊ］．电子元器件应用，２０１０，１２（１２）：８８—９０．　［４］　明正峰，童建利，钟彦儒．三相逆变器中ＩＧＢＴ的几种驱动电　路的分析［Ｊ］．电源技术应用，２００２，５（４）：３６—４１．　［５］徐雪峰．正弦波并网运行逆变器及控制方法的研究［Ｄ］．黑龙　江：哈尔滨工程大学，２００７．　［６］王永，刘志强，刘福贵．一种新型实用的ＩＧＢＴ驱动电路［Ｊ］．　测控自动化，２００４，２０（４）：２８—２９．