PIC单片机变频器设计

摘要
变频调速技术已经成为节能和提高产品质量的有效措施。

变频调速的重要性日益得到国家的重视，在国内推广变频调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值和社会价值。

中压变频调速技术是电力电子领域的一个制高点技术，中压大功率变频器是电力电子行业中尚未解决的一个难题。

本论文概述了中压变频器的国内外技术发展及趋势，对中压变频器各种类型的优缺点进行了分析。

阐述了单元串联多电平移相式PWM电压源型变频器原理，通过对原理的阐述,进一步透彻的掌握单元串联多电平高压变频器的内部特性。

研究了单元串联多电平中压变频器的PWM技术和SPWM技术。

基于各种PWM 控制技术的对比，本设计选定三角载波移SPWM技术作为控制方法。

文中介绍了IGBT的工作原理和各种保护方法。

给出了基于PIC单片机的五单元串联中压变频器的控制单元的软硬件设计。

关键词：变频器；单元串联中压变频器；PWM技术；移相载波SPWM技术；
单片机
Abstract
Velocit y adjustmentt echnique of mid-voltage variable frequency is an advanced technique in power electronics realm.mid-voltage and large-power frequency converter is an unsolved difficult in power electronics industry. Its using area basicall y covers with all kinds of main ind ustry and it has a large market potential. But, compare d with latent market, our middle-voltage frequency converter (HVF) is in starting phase in which it is an extremel y good opportunit y to develop domestic frequency converter manufacturing industry. Velocit y adjustment technique of mid-voltage variable frequ ency has become effective measures to save energy and promote product quality. The expansion of velocit y adjustment technique has got very important and realistic meaning and tremendous economic and societ y value.
The progress and the trend of HVF techni que，the market requirements domestic and abroad for HVF are reviewed. The advantage and disadvantage of different HVF t ypes, effects of HVF on electric net and electric motor are
anal yzed in detail.
The paper studied the PWM technology and SPWM technology fo r medium voltagec ascadedm ultilevelin verters. Based on the anal ys is of kinds of PWM technologies，the design choose the Triangle_Carrier phase-shifted SPWM for cascaded multilevel inverters as control technology.
The paper introduced the operation pr inciple and many kinds of protection methods of IGBT.
The software and hardware design of control unit of the Five_units Cascaded Medium Voltage Inverter is introduced.
Key Words：frequency inverter；Cascaded Medium Voltage Inverter ；
PWM Technology；phase-shifting carrier SPWM；
Single-Chip Microcomputer
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章概述 (1)
1.1 设计背景 (1)
1.2 中压变频器的类型 (1)
1.3 中压变频器国内外研究概况 (2)
1.4 变频器主器件－电力电子器件的发展现状 (3)
第2章单元串联多电平变频器工作原理及其特点 (5)
2.1 概述 (5)
2.2单元串联多电平变频器主电路结构 (5)
2.3 单元串联多电平变频器工作原理 (6)
第3章 IGBT介绍及其保护电路 (8)
3.1 IGBT介绍 (8)
3.2 IGBT 的工作原理 (8)
3.2.1 基本工作原理 (8)
3.2.2 IGBT 的主要参数 (9)
3.2.3 IGBT 的安全工作区 (10)
3.2.4 IGBT 对驱动电路的要求 (11)
3.3 保护措施 (12)
3.3.1 IGBT栅极的保护 (12)
3.3.2 集电极与发射极间的过压保护 (13)
3.3.3 集电极电流过流保护 (15)
3.3.4 过热保护 (17)
第4章PWM技术和SPWM调制方法综述 (17)
4.1 PWM技术基本概念 (17)
4.1.1 PWM控制的基本原理 (18)
4.1.2 PWM技术基本概念 (19)
4.2 SPWM调制方法对比分析 (24)
4.2.1 采样法SPWM (24)
4.2.2 谐波消去法SPWM (27)
4.2.3 载波相移SPWM（CPS－SPWM） (29)
4.2.4 小结 (31)
第5章控制电路设计 (31)
5.1 设计任务、要求和参数 (31)
5.2 主电路设计概述 (31)
5.2.1 变频器的构成 (31)
5.2.2 变频器各部分概述及本设计主电路方案选择.. 32
5.3 PIC系列单片机简介 (34)
5.3.1 PIC系列单片机的特点 (34)
5.3.2 PIC系列单片机的优势 (35)
5.3.3 本设计选用的PIC16F877介绍 (36)
5.4 控制部分设计 (37)
5.4.1 控制电路方案选择 (37)
5.4.2 控制电路各部分设计 (38)
5.4.3 IGBT驱动电路设计 (46)
5.4.4 PIC16F877系统接线 (51)
第6章软件设计 (52)
6.1 程序设计思路 (52)
6.2 程序流程图 (53)
6.2.1 主程序流程图 (53)
6.2.2 AD转换子程序流程图 (53)
6.2.3 I/O口初始化子程序流程图 (53)
6.2.4 AD模块初始化子程序流程图 (53)
6.2.5 外部、电平中断服务子程序流程图 (53)
6.2.6 定时器中断服务子程序流程图 (53)
6.3 软件清单 (57)
第7章实验结果和分析 (62)
7.1 实验内容 (62)
7.2 实验仪器 (62)
7.3 实验波形 (62)
7.4 实验结果分析 (63)
第8章设计总结 (64)
元器件明细表 (65)
参考文献 (69)
英文资料原文 (70)
英文资料翻译 (77)
致谢 (87)
兰州理工大学毕业设计说明书
第1章概述
1.1 设计背景
由于电力电子技术、微电子技术和现代控制理论以惊人的速度向前发展，随之带动了交流传动技术日新月异的进步。

交流传动经过近二十年的发展，目前它正成为电气传动的主流。

变频调速是交流传动中最主要的一种。

随着变频调速技术的迅速发展和其性能的不断提高，近年来在适用于中压（3V～10kV）电压等级电动机的中压变频器也得到了相应的发展，特别是一些新建的工程项目，一改往日在中压电机无特别要求时，不考虑调速方案的设计思想，从节能、生产工艺要求出发，在设计中大都考虑了调速的系统，或将原来的低效、简单的调速系统改造成高效、高性能的变频调速系统。

这在近年来已成为一种时尚，在有些领域也作为其系统先进性的一个标志。

1.2 中压变频器的类型
从中压变频器主电路结构上看，它不象低压通用变频器那样，有统一的、很明确的形式种类，中压变频器大概分为两大类，即所谓的高—低—高型和直接型。

高—低—高型中压变频器实质上是低压变频器，它只是在低压通用变频器前加了一个降压变压器，将中压变成低压通用变频器能适应的低压，在低压通用变频器输出侧加一个升压变压器，将其输出的低压再升高为中压电机所能适应的中压。

由于此类变频器是以成熟的低压通用变频器为基础的，因此，它是最早的一种中压变频器，它的唯一优点是易于实现。

它的缺点是：
1. 由于变频器输出含有高次谐波和直流分量，升压变压器需特殊设计；
2. 低压通用变频器所具有的对电机的影响，以及对电网的污染，它仍然具备；
3. 由于两个变压器都有较大损耗，使其效率较低；
4. 装置占地面积大。

由于此类变频器的诸多固有缺点，故在近年来已被所谓的直接型中
压变频器取代。

直接型中压变频器无需升、降压变压器，而是对中压电源直接进行变频、变压等变换，其输出直接就是能供给中压电机的中压。

这类变频器根据主电路所用的功率器件可大概分为：以晶闸管或GTO(Gate Turn Off Thyristor)为功率器件的电流型中压变频器，以IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transisor)为功率器件的三电平中压变频器和以IGBT为功率器件的单元串联多电平中压变频器。

从对电网污染的程度和对电机的影响两方面看，后一种最优。

但是，由于这种变频器其功率单元中的整流采用的是二极管整流电路，能量不能回馈电网，系统不能四象限运行，所以它最适合于风机和水泵类负载。

1.3 中压变频器国内外研究概况
目前在国际上，能生产低压通用变频器的公司非常之多，而国内也
有很多公司、厂家能生产，但能生产中压变频器的公司在国际上只有少数几家著名的电气公司，如通用电气公司（GE）、德国西门子（SIMENS）和罗宾康（ROBICON）等公司。

在国内也有众多的科研单位和公司正在研制中压变频器。

GE公司研制的中压变频器主要是INNOVATION系列，其电压等级主要有：3300V、4160V、6600V和7200V。

它主要是基于IGCT功率器件的三电平变频器，并且研制出了可四象限运行的三电平双PWM高性能变频器，它主要应用于轧钢等控制性能和精度要求较高的场合。

它的IGCT元器件是由ABB供货的，由于IGCT昂贵的价格，使得该公司为了抢占风机、泵类负载的市场，不得不直接向ROBICON购买它的单元串联多电平中压变频器的主电路，再配以自己的控制系统，而组成价格较低廉的中压变频器。

SIMENS公司主要研制以高压IGBT（HVIGBT）为功率器件的中压变频器，主要是6SE80系列。

此变频的主要电压等级有：2300V、3300V、4160V 和6000V。

它也有只能单象限运行的普通中压变频器和能四象限运行的三电平双PWM中压变频器。

ROBICON公司是一个高压电源公司，但它从1964年开始研究生产调速传动装置。

而在近年来它在世界上首先研制出了单元串联多电平变频器。

该变频器使用低压IGBT功率元件组成低压单相变频器功率单元，由多个功率单元串联起来。

其输入变压器的次级绕组分别按曲折接法，使
各个串联功率单元的输入电压相互错开，对于电网而言形成多相负载。

因此，它既解决了输出高压问题，又解决了高次谐波问题。

功率单元只需按低压变频器工艺要求来设计即可。

该公司研制的中压变频器的电压等级主要有：2300V、3300V、4160V、5500V、6000V和6600V，由于单元串联多电平中压变频器的诸多优点，使其得到了广泛的应用。

此种变频器对电网谐波污染小、功率因数高、不必采用谐波补偿器和功率因数补偿装置，输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出du/dt、共模电压等问题。

如今，在开展治理电网污染的各项活动中，这类号称“绿色”电气产品的装置具有了更好的应用前景。

但是，由于此类变频器所需的功率元器件非常之多，主电路复杂，因此，此类变频的主电路工作的可靠性是它的关键所在。

在国内众多研制单位在研制过程中，主要难以攻克的技术难点就在于此，也是由于这一因素而制约了该变频器整个系统可靠性的提高和在国内的广泛应用。

因此，对此类变频器主电路的研究具有一定的现实意义。

1.4 变频器主器件－电力电子器件的发展现状
老式的调速系统一般采用电动机一发电机机组或水银整流器等，随着50年代第一个晶闸管成为商品，标志着固态电力电子技术的开始。

这是一种电网电压控制和变换的经济简便的方法，目前，相控晶闸管已广泛应用于直流调速，交流调速中的交交变频系统、无换向器电机调速系统以及电流源型变频系统等。

但是，相控晶闸管在交流电网产生的大量的0波和较低的功率因数，以及不可自关断的缺点，使其应用正在逐步减少。

1982年，日立公司首先研制出集成化2500V,1 000A门极可关断晶闸管，即GTO。

由于它的关断特性可以说是电力电子技术的一次突破。

随后，GTO向着高电压、大电流方向发展，每2-3年上一个新台阶，发展十分迅速。

目前己研制出6000V, 6000A和9000V, 10000A的巨型GTO器件，其应用十分广泛。

是日前的高电压大容量变频器中主要采用的功率器件。

它的主要缺点是关断增益低，这就需要一个十分复杂而且功率消耗很大的驱动电路;开通di/dt和关断dv/dt承受能力低，需要一个十分庞大的吸收电路;工作频率低。

可以说GTO的缺陷己经大大限制了它的应用。

IGBT是一种新型电力半导体元件。

它具有快速响应、高输入阻抗、高电流密度、开关频率高、控制简单的特性，所以发展十分迅速。

IGB丁产品己经模块化，每个IGBT反并联一个续流三极管，然后以一单元，二
单元，六单元形式封装在模块外壳内。

随后出现了IPM，即智能功率模块，将IGBT及其驱动电路和电流、电压、温度检测等全部集中在一个模块里就构成了IPM单元。

目前，单个IGBT器件的应用水平为4500V, 3000Ao 比较GTO和IGBT，我们可以看到:
IGBT的驱动电路简单。

IGBT是压控器件，在控制极上施加+15V左右正向控制电压就能导通;施加一5V至一lov的反向控制电压时，在所有运行条件下都能将IGBT关断。

门极控制功率不到GTO的千分之一。

IGBT吸收电路简单。

IGBT具有精细的内部结构，若采取有效措施来减少引线电感，以求尽量降低或消除IGBT器件关断时的浪涌电压，可以不需要吸收电路或简化吸收电路。

GTO的通态压降高，必须采用高效冷却，还需考虑绝缘问题。

造成装置体积增大。

IGBT开关损耗小，易于冷却，而且采用内部绝缘结构，因此散热器无需绝缘。

IGBT比GTO的开关频率高，大大降低了噪声污染。

尤其是IPM的出现，使得IGBT的应用更加广泛。

目前，IGBT主要应用于低压变频器，在高压大容量变频器中应用还很少，当然，人们正在开发更大电流和更高耐压的IGB丁应用到高电压大容量变频器中另外，出现了一种新型器件GCT, GCT主要是在GTO结构的基础上进行优化发展而来的，具有如下特点:通态压降低;可以忽略的开关损耗;运行平稳，线性度好，方便准确建模;响应迅速准确，开关延时小(2-3us)o
对于高压大电流来说，GCT是先进的开关器件，其良好的关断特性可以省去吸收电路，其高频开关性能可对任何复杂瞬态进行控制。

接着出现的IGCT(Integrated gate-connnuted thyristor)，门极集成化的IGCT，它引入门极驱动的新概念，将门极驱动和保护电路集成到电力电子器件中。

IGCT除具有GCT的特点外，还可直接采用光纤触发，并具有高的抗电磁干扰特性和优化串联运行。

目前，130MVA的IGCT变频器己应用于德国铁路上，本溪钢铁公司也将IGCT用于热连轧主传动控制。

目前6000V, 4500A的IGCT己研制成功。

可以预见，IGCT和高耐压的IGBT将成为高压大容量变频器上广泛采用的主要的电力电子器件。

第2章单元串联多电平变频器工作原理及其特点2.1 概述
根据第2章的比较分析可知，在风机、泵类这样不要求四象限运行的应用领域，单元串联多电平中压变频器占有较强的优势，它输出电压波形的电平数多，电压、电流波形的正弦度比较好，对电网的污染程度很小。

但它的主电路比较复杂。

2.2单元串联多电平变频器主电路结构
如图2.1所示为每相5个功率单元串联而构成的21电平6000V单元串联变频器主电路。

此电路中每相由5个功率单元串联，三相共15个功率单元，形成Y联结结构，每个功率单元的额定电压为690V，相邻功率单元的输出联接起来，使得变频器的额定相电压为3450V，线电压为6000V。

每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和
1/15的输出电功率。

功率单元为三相输入、单相输出的交—直—交PWM 电压型变频器结构，每个功率单元由一体化的移相变压器的副边线圈分别供电。

移相变压器有15个副边绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相
压
0和
所
在
中
联
2.4
的
平
的
法比拟的。

图 2.5为该变频器输出线电压和电流波形。

由于在PWM调制时，对每个功率单元采用了移相式PWM控制，使得迭加后输出的等效开关频率大大增加，这样改善了输出电压波形，降低
了电流谐波，由图可以看出电流波形的正弦度非常高。

输出电压的谐波
分量中，低次谐波分量很小，谐波主要集中在与输出等效开关频率对应
的高频范围。

而电机绕组自身电感的感抗与频率成正比，所以高次谐波
电压很难形成大的谐波电流，电机绕组自身的电感就已起到了很好的低
通滤波作用，输出总谐波电流失真基本在1%以内。

第3章 IGBT介绍及其保护电路
3.1 IGBT介绍
绝缘栅双极晶体管简称 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种复合型电力半导体器件，它兼有 MOS FET（金属氧化物半导体场
效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）高输入阻抗，高速特性和双极结型晶体管 Bipolar Junction Transistor 又称电力晶体管（GiantTransistor）大电流密度特性的优点的混合器件，既具有速度快，输入阻抗高的特性，又具有通态电压低、耐压高、电流
容量大的特性。

IGBT 的开关速度要比功率 MOSFET 的低，但要比 BJT 的快，IGBT 的关断存储时间和电流下降时间分别为 0.2~0.4 ms 和
0.2~1.5ms。

IGBT 较高的工作频率宽而稳定的开关安全工作区及简单的
驱动电路，使得 IGBT 在大功率电源应用场合成为首选。

目前世界上许
多电力电子器件公司均提供 IGBT 模块，并有专用驱动电路可供选择。

3.2 IGBT 的工作原理
3.2.1 基本工作原理
IGBT的等效电路如图 3.1所示。

由图 3.1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压；
——IGBT集电极与发射极之间的电压；
——流过IGBT集电极－发射极的电流；
——IGBT的结温。

图 3.1 IGBT的等效电路
如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

3.2.2 IGBT 的主要参数
对于IGBT的应用者来说，最为关心的是如下几个主要参数：
集电极—发射极额定电压：栅极与发射极短路时IGBT能承受的耐压
值，不同等级的器件有不同值。

栅极—发射极额定电压：栅极控制信号的额定值。

目前 IGBT 的值
大部分为+20V，使用时栅极的控制电压最好不要超过该额定值。

集电极额定电流：IGBT 在导通时能流过管子的持续最大电流。

集电极—发射极饱和电压：此参数给出 IGBT 在正常饱和导通时集电
极—发射极之间的电压降，此值越小，管子的功率损耗越小。

开通时间和关断时间含义如下：
IGBT 由关断状态过渡到导通状态所需要的时间，称为开通时间；
IGBT 由导通状态过渡到关断状态所需要的时间，称为关断时间。

3.2.3 IGBT 的安全工作区
IGBT的正向安全工作区（FBSOA）由电流、电压、功耗三条界线围成，如图3.2。

图 3.2 IGBT 的正向安全工作区
由于动态锁定所允许的漏极电流比静态锁定时要小，因此，最大漏极电
流由动态锁定时所允许的漏极电流确定，最大漏源电压由 IGBT 中 PNP 晶体管的击穿电压确定，最大功耗PDM 受限于最高允许结温，与导通时间密切相关，时间长发热严重，安全工作区变窄。

IGBT 的反偏安全工作区（RBSOA）如图 3.3 所示，由电流、电压界
线围成，随关断时重加而改变，愈大，安全工作区愈小。

图 3.3 IGBT 的反偏安全工作区
因此为在关断时加大安全工作区，电路设计时，驱动电路尽量靠近IGBT 的栅极，以缩短驱动电路到 IGBT 的栅射极的引线；或者恰当选择栅射驱动电压和栅极电阻，同时仔细设计缓冲电路，使外电路产生较小
的。

如果在导通期间，负载发生短路，IGBT 的集电极电流急剧增大，如不加以限制，就可能发生栓锁效应，造成器件失控，以致损坏。

为避免这种状态，可根据最大峰值电流不发生栓锁效应的最大电流对应的栅极
发射极电压设计栅极驱动电压，使。

这样一旦发生短路，IGBT 进入放大状态，即进入恒流区，集电极电压升高。

如将此电压检测出来，控制栅极电压，使其减小或切除，从而避免进入栓锁状态，达到保护器件目的。

3.2.4 IGBT 对驱动电路的要求
1）IGBT 驱动电路应具有的基本性能
动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲，使得IGBT栅射电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平；
驱动电路的内阻合适，保证合理的开关速度，避免主回路过高的电流尖峰，有利于主回路安全。

能向IGBT提供适当的正向栅压，IGBT导通后的管压降与所加栅源电
压有关，高，小，器件的导通损耗就减小。

这有利于充分发挥管子的工作能力。

在有短路保护的设备中，应选小些，一般为+12～+15V。

有足够的输入输出电隔离能力。

具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。

在 IGBT 处地负载短路或过流状态时，驱动电路能在 IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅压自动控制故障电流，实现 IGBT 的软关断。

驱动电路在出现短路、过流的情况下，能迅速发出过流保护信号，供控制电路使用。

2）与驱动电路有关的保护
当 IGBT 承受短路电流时，及时检测到并关断，能有效保护器件。

识别 IGBT 是否承受短路电流的方法之一，就是检测共管压降；若过高，则一定发生短路，需立即关断 IGBT。

3.3 保护措施
在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。

但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。

因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。

在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相应的保护措施。

3.3.1 IGBT栅极的保护
IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。

另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极－发射极有电流流过。

这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。

如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。

为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极。

如图 3.4所示。

由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体，特别是其栅极为MOS结构，因此除了上述应有的保护之外，就像其他MOS结构器件一样，IGBT对于静电压也是十分敏感的，故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：
在需要用手接触IGBT 前，应先将人体上的静电放电后再进行操作，
并尽量不要接触模块的驱动端子部分，必须接触时要保证此时人体上所
带的静电已全部放掉；
在焊接作业时，为了防止静电可能损坏IGBT ，焊机一定要可靠地接
地。

图 3.4 栅极保护电路
3.3.2 集电极与发射极间的过压保护
过电压的产生主要有两种情况，一种是施加到IGBT 集电极－发射极
间的直流电压过高，另一种为集电极－发射极上的浪涌电压过高。

3.3.2.1 直流过电压
直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT 的前一级输入发生
异常所致。

解决的办法是在选取IGBT 时，进行降额设计；另外，可在检
测出这一过压时分断IGBT 的输入，保证IGBT 的安全。

3.3.2.2 浪涌电压的保护
因为电路中分布电感的存在，加之IGBT 的开关速度较高，当IGBT
关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌
电压Ldi/dt ，威胁IGBT 的安全。

通常IGBT 的浪涌电压波形如图 3.5所示。

图中：
CE V 为IGBT 电极－发射极间的电压波形；
c i 为IGBT 的集电极电流；
d U 为输入IGBT 的直流电压；
CESP V =d U ＋Ld c i /dt,为浪涌电压峰值。

图 3.5 IGBT 的浪涌电压波形
如果C E S P V 超出IGBT 的集电极－发射极间耐压值CES V ，就可能损坏
IGBT 。

解决的办法主要有：
——在选取IGBT 时考虑设计裕量；
——在电路设计时调整IGBT 驱动电路的Rg ，使di/dt 尽可能小；
——尽量将电解电容靠近IGBT 安装，以减小分布电感；
——根据情况加装缓冲保护电路，旁路高频浪涌电压。

由于缓冲保护电路对IGBT 的安全工作起着很重要的作用，在此将缓
冲保护电路的类型和特点作一介绍。

C 缓冲电路如图 3.6(a)所示，采用薄膜电容，靠近IGBT 安装，其特
点是电路简单，其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC 谐振电路，易产
生电压振荡，而且IGBT 开通时集电极电流较大。

RC 缓冲电路如图 3.6(b)所示，其特点是适合于斩波电路，但在使用
大容量IGBT 时，必须使缓冲电阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，
使IGBT 功能受到一定限制。

RCD 缓冲电路如图 3.6(c)所示，与RC 缓冲电路相比其特点是，增加
了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT 功能受阻的问题。

该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为
P=LI2f ＋CUd2f
式中： L 为主电路中的分布电感；
I 为IGBT 关断时的集电极电流；
f 为IGBT 的开关频率；
C 为缓冲电容；
Ud 为直流电压值。