图3-4 四相电容裂相式主电路

3.2 主开关器件的选择

对于驱动系统的功率变换器，其主开关元件的选择必须考虑的因数有：电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、主开关的开关难度、触发难易程度、开关损耗、元件价格、驱动电路的复杂程度、并行运行的可靠性、电流峰值/有效值的比值大小以及电力电子器件的技术水平等等。 3.2.1 主开关的种类选择

就当前电力电子技术发展现状而言，可供选择的电力电子器件有普通的晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、功率MOS场效应晶闸管（MOSFET）和绝缘栅双极二极管（IGBT）。其中SCR具有耐高压和容量大的优点，但无自关断能力，且其开关频率低；STR可自关断，但承受浪涌电流能力差，且其在二次击圈问题，不易保护；GTO虽然可自关断，容量也可很大，但关断控制问题困难，要求相当大的反向控制电流；MOSFET的开关频率可很高，但价格昂贵，容量也做不大，一般仅用于小功率场合；IGBT则集MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、速度快、热稳定好、驱动电路简单的优点，又具有GTR的通态电压低、耐压高、抗浪涌电流能力强、无二次击穿现象等优点。此外，功率IGBT采用模块形式，模块内反并联了与自身开关速度想适应的快恢复二极管，故使用方便。从结构上看IGBT可认为是以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件。本系统采用的是IGBT模块。 3.2.2 主开关器件的额定电压

主开关器件的电压定额，主要取决于外施的直流电源电压Us。在图中的四相电容分压式主电路中，每个主开关元件在关断状态所承受的最小正向阻断电压为Us+?U（其中?U为考虑引线电感导致关断时的电压尖脉冲所加的裕量）。当SR典籍运行中换相、突然停车，或减速制动时，电动机轴上的机械能及漏电感储能，将向电源滤波电容倒灌，导致电容两端直流电压突然升高为Us+?U。所以，在此电路中，一般

Ur>(1.8～2.2)Us （3-1）

功率变换器中所用续流二极管，其正向导通与反向截止均具有快恢复性。正向快恢复性能保证主开关器件断开时，相电流从主开关器件转换到二极管续流；而反向快恢复性，则能保证二极管以足够快的速度从导通变为截止，以免瞬时造成电源短路。所以，续流管应选用快恢复性二极管。

对于11KWSRD系统，功率变换器的器件选择： 三相全波整流输出的直流电：Us=2.34×220=514V

主开关器件和续流二极管的耐压定额：Urd=Urs≧1.3Us=668V 电容C1、C2的电压定额：Urc= Urs=334V

整流二极管的电压定额：Urdz=22×380V=1047.8V 3.2.3 主开关器件的额定电流

SR电机功率变换器中主开关器件的电流定额，分为峰值电流定额(体现电流脉冲作用)和有效值电流定额（体现电流连续作用）两种。由于我们采用的是IGBT作为主开关元件，因此它的峰值电流额定将是决定性参数。而对于二极管来说，因其能承受较大的冲击电流，一般以有效值定额作为选型依据。

但在SR电动机中，确定电流定额面临着许多困难。由于SR电机磁路的高度饱和，导致电感与电流和转子位置角都有关；同时SR电动机运行时相电流既非恒定直流量，也非交变正弦量，且波形随电机运行状态变化，相电流无法用简单的解析式表达。在电流定额的估算中，我们引入“能量比率（ER）”这一物理量，并定义ER为输出的有用能量与电源供给电动机的总能量之比，即

ER=（电源供给电动机的总能量-回馈电源的能量）/电源供给电动机的 总能量

可见，ER可视为传统交流电动机功率因数在SRD中的推广。设系统功率为η上输出功率PN与功率变换器直流电源输入电功率PIN 满足下式，即

PN=ηN×PIN （3-2）

若假设各相电流不重叠，且为占空比等于1/m的平顶波电流（幅值为?S），则有

Pin =(ER)×US×?S （3-3）

对于续流二极管，可按有效值电流来确定，即ID=?S/m。

因为SRM常工作在饱和状态，故ER值通常可在0.6～0.7内选取，ηN可用同容量的Y系列异步电动机的效率值代入。

对于11KWSRD系统，有U'S=257V，PN=11KW，ηN=0.88，ER取0.7，则主开关IGBT的峰值定额为：?s≧

1.2PN?N(ER)US'N，

则轴

=

1.2?110000.88?0.7?257?82A

续流二极管的有效值电流定额为：ID= ?s/m=41A, 整流桥电流定额：IVDZ= ?s/3=27A

平波滤波电容器：负载等效电阻Rf=0.5?, 则 C1=C2=0.0033×106/（3Rf）=2200Uf

所选用的主电路元件如 表3-1 名称 IGBT模块 快恢复续流二极管 滤波电容 三相整流桥

型号 1BMI200-120 DESI30-10A 6RI75G-120 额定参数 200A/1200V 30A/1000V 2200uF/450V 75A/1200V 3.3 大功率IGBT的驱动电路

近年来，大功率IGBT作为一代全控型电力电子器件，获得了广泛的应用，然而，“烧管子”是一直困扰着人们的大问题，使大家总觉得IGBT不好用。研究表明，要保证IGBT工作的可靠性，驱动与保护电路起着关键作用。

3.3.1 IGBT的驱动要求

根据IGBT的一些特性，它对驱动电路有一些特殊的要求：

1）IGBT与MOSFET都是电压驱动，都有一个2.5～5.0V的阀值电压，有一个容性输入阻抗。因此IGBT对栅极电荷积聚很敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短；

2）小内阻的驱动电源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UCE有足够陡的前后沿，

使IGBT的开关损耗尽量小；

3）于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上

严格隔离；

4）IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单使用，最好自身有对IGBT的保护电路，并有较强

的抗干扰能力。 3.3.2 驱动电路

为了满足IGBT的驱动电路，任何一个IGBT的驱动电路都必须具有三个主要功能：一是驱动放大，二是隔离，三是保护。具体地说，它必须提供适当的正反向驱动电压，有足够的瞬时功率或电流输出能力，做到尽可能短的输入信号传输延时，有很强的输入输出隔离能力，具有可靠的短路或过电流能力。

由于IGBT和 MOSFET属高速开关元件，对驱动电路要求较高，因此，一般选用专

用电路。本系统采用的EXB841，为日本富士公司生产的专用混合IC驱动器，除具有一般驱动功能外，还具有短路保护功能，可用于400A/600V或300A/1200V以下IGBT。EXB841的功能框图见 图3-5

3.4 功率变换器的保护电路

功率变换器是整个SRD系统的重要组成部分，它根据控制器的指令适时地导通和关断元件，从而使相应的电机绕组通断电。所以，功率变换器的安全可靠运行尤为重要。

3.4.1 RCD关断保护电路

通常情况下，因为IGBT的安全工作区较宽，且控制峰值电流的能力比功率MOSFET要强，所以在一些应用中可不设吸收电路。改变门极串联电阻可控制门极电流的大小，进而可降低IGBT开通和关断过程对吸收电路的要求。然而，由于IGBT的四层结构，使其体内存在存在寄生晶闸管，因此，在关断过程中会产生很高的dUCE/dt，并在C、G 结的结电容中引起较大的旁路位移电流。如果 dUCE/dt超过一极限值，旁路位移电流将迫使寄生晶体管导通，导致IGBT失控。为使系统工作更加可靠，采用RCD关断吸收电路。

图3-6 RCD关断吸收电路 图3-7 制动放电电路 3.4.2 电压保护电路

由于采用380V交流电源经全桥整流供电，工作电压可达570V。但目前我国生产的大容值电解电容一般耐压较低，极易损坏电容，所以有必要加设电压保护电路。电压保