基于并联功率MOSFET的低电压大电流逆变器研究

潘依波

【摘要】自从20世纪40年代逆变器诞生以来，逆变器经历了飞速的发展。低电压大电流逆变器凭具有输出电压低和输出电流大等优势，被广泛应用在低压大功率应用领域，因此本文对基于并联功率MOSFET的低电压大电流逆变器进行了软硬件设计。

【关键词】MOSFET；大电压大电流；逆变器；并联均流

【中图分类号】TN91 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0129-01

基于逆变技术的逆变器是一种高效节能装置，最典型的应用是利用逆变器的电动机调速节能，而现在应用到伺服系统中的逆变器主要是由GTR、MOSFET、IGBT及IPM组成，考虑到本文设计的低电压大电流逆变器是应用在低压范围，因此选择用MOSFET作为伺服驱动器的功率器件。

1、低电压大电流逆变器的关键技术

（1）逆变器的主回路，采用导通压降小的功率管来搭建系统各桥臂，如果采用导通压降大的功率管来搭建系统各桥臂，将使逆变器输出电压等级变低。

（2）逆变器系统的控制方法，现有逆变器系统大多采用恒压频比控制或采用电流直接控制方法，这些系统主要有直流母线电压利用率低，逆变器输出电压谐波含量大等缺点。而低压大电流逆变器采用矢量控制策略，可以很好控制电机运行，电压利用率高，逆变器调速平稳，矢量控制能够更好的控制电流大小，从而避免逆变器过流现象。矢量控制策略将被广泛应用于低压大电流逆变器中。

2、低电压大电流逆变器系统的整体结构

系统整体结构图如图1所示，系统由主电路、驱动电路、控制电路、电流检测、电压检测、速度采样、DC/DC电源模块、键盘显示、蓄电池组成。主电路为主回路电路和缓冲电路，驱动电路由IR2214驱动芯片加推拉式电路组成，由集成运放放大器构成的电流和电压检测电路。控制电路以TMS320F28335和CPLD为核心实现逆变器系统的控制功能。系统采用48V蓄电池供电。

3、低电压大电流逆变器的软硬件设计

3.1 逆变器主电路的设计

（1）逆变器主回路的设计

逆变器主回路由功率器件MOSFET并联组成，在U^p、Uⁿ、V^p、Vⁿ、W^p、Wⁿ六路信号的驱动下，输出交流电流或电压。本文要求设计的逆变器额定输出电流达到270A，最大输出电流500A。本文选用IR公司的大功率MOSFET管搭建逆变器的各桥臂，单管最大电流可达180A。为了满足课题对逆变器输出电流的指标要求，采用并联MOSFET的方式构造逆变器的各桥臂，逆变器每一桥臂由四路MOSFET并联实现。由于电流大的原因，逆变器主回路发热量大，所以主回路应具有很好的散热陛，因主回路中存在寄生电容或电感，采用缓冲电路来减小寄生电容电感。

（2）缓冲电路的设计

由于本文设计的低电压大电流逆变器，考虑到MOSFET管在开关过程中有电压或电流的突变，将引起器件上电压或电流的尖峰，严重情况下可导致功率管因过流或过压损坏，通常采用缓冲吸收电路抑制开关过程的突变；由于缓冲电路中缓冲电容、缓冲电阻选择不当也会引起功率管损坏，缓冲电路各参数的优化选取是非常必要的。器件开关时，只要尖峰电压或电流不超过功率管的工作范围就能够安全工作。相对于电流过载而言，MOSFET管的电压过载能力较低，缓冲电路主要是抑制器件的电压突变。经分析MOSFET管在导通过程中，不会引起过流和过压，而在关断过程中，由于电路中存在寄生电感，会使器件产生很高的尖峰电压，导致击穿MOSFET管。RCD缓冲电路如图2所示。Ds为缓冲二级管、Rs为缓冲电路中放电电阻、cs为电容。

（3）改善MOSFET并联均流的方法

改善MOSFET并联均流的方法主要有以下几种：①器件参数的选择。影响MOSFET均流的参数为：跨导G^m、阈值电压V^Gs（th）、输入电容C^m和通态电阻R^ds（on）。在选择并联元件时，尽量选取上述参数一致的元件并联。②电路布局和热耦合。电路布局的对称，加强各并联器件之间热耦合，将并联器件放置在同一块散热装置上。③寄生振荡。防止引线电感和输入电容之间产生高频振荡，主回路上加缓冲电路。

3.2 驱动电路的设计

IR2214是半桥式栅极驱动Ic，具有完整的软停机电机驱动保护，能够探测欠饱和状态或电源欠压，并向控制器发送故障信息，软关断电流关闭避免了功率节点过高或过低，保护开关器件免遭损伤，还有专用引脚来设置开通、关断和软关闭开关时间，可以对MOSFET起到很好的保护功能，具有较高的栅极驱动能力（输出电流2A，吸收电流3A）。但是其输出电流为2A驱动能力不够，不能驱动4个MOSFET并联，要进行功率扩展，所以在输出极接由三极管组成的推挽电路，其输出电流可达6A。

3.3 驱动电路的设计

3.3.1 DSP及其外围电路

（1）TMS320F28335 DSP处理器主要负责控制策略的执行，同时还实现了电流采样、电压检测、欠压保护、过压保护、过流保护、过热保护以及对RS232、CAN总线及JTAG等接口的通信功能。

（2）电源电路。TPS767D301为电源稳压芯片，输入电压5V，输出双路电压，分别为DSP提供1.9V和3.3V电压，1.9V用于DSP核心电压，3.3V用于DSP的I/O端口电压。5V电压由DC/DC隔离电源模块提供。

（3）JTAG仿真口电路。JTAG端口可以对TMS320F28335进行仿真分析、DSP芯片的调试工作、通过PC机将应用程序下载控制板。

3.3.2 检测电路及输入输出电路

（1）速度采样电路。电机自带增量式光电编码器，能够输出一个两相相位差是90°的正交编码脉冲。两相脉冲输出接速度采样电路，后接DSP的正交编码脉冲电路，分别用来检测牵引电机和提升电机的光电编码盘产生的正交编码脉冲，可以对正交编码脉冲进行解码和计数，测出电机的正反转；通过对脉冲序列计数，利用所得的计数值，计算得到电机的角位移和速度。

（2）温度检测电路。采用贴片式的温度传感器，直接检测功率板上的温度。

（3）开关量输入电路。输入开关动作通过开关输入电路给CPLD开关信号，共有4路开关输入信号。

（4）主线圈驱动接触器输出。驱动接触器输出电路采用OC门电路。

3.4 低电压大电流逆变器的软件程序流程

主程序首先初始化外部各功能单元，给各控制状态变量赋初值，然后进入死循环等待中断。子程序包括电机定子电流和直流母线电压检测、转子磁链观测、转矩调节器、磁链调节器、速度调节器、电压解耦控制、坐标变换及反变换、SVPWM计算等功能。为了保证系统正常工作，还设计了相应的过流、过载、过压、欠压和过热等保护程序。