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背景 二十世紀(jì)八十年代，我自己研制的變頻器正在順利試機(jī)，單位突然停電，再開機(jī)，竟不運(yùn)行了。檢查的結(jié)果是逆變器件損壞了。分析其原因，則和變頻器各部分的過渡過程有關(guān)。當(dāng)時的逆變器件用的是大功率晶體管GTR（BJT）。雖然，現(xiàn)代的中小容量變頻器因?yàn)槭褂昧?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/IGBT" target="_blank" class="relatedlink">IGBT，已經(jīng)解決了這個問題。但GTR并未完全退出變頻舞臺，所以，分析其損壞過程，仍有一定價值。 變頻器里的直流電源 主電路的直流電源 1．主電路的結(jié)構(gòu) 主電路的直流電源已如前述，由三相全波整流電路加濾波電容器構(gòu)成。這里不再贅述。 2．突然停電后的過渡過程 當(dāng)突然停電時，變頻器的框圖如圖1a）所示。由于逆變橋還在工作，濾波電容器CD迅速放電，直流電壓UD迅速下降，電壓曲線如圖1b）中之曲線①所示。曲線②是曲線①的切線，τD是UD下降的時間常數(shù)。由曲線①知，電壓的下降是很快的。但因?yàn)殡妷旱某跏贾岛艽�，下降過程的總時間并不很短。 
圖1 主電路停電后的直流電源 a）停電后的主電路b）電壓的衰減曲線 驅(qū)動電路的直流電源 1．對驅(qū)動電源的要求 驅(qū)動電源需要解決兩方面的問題： 一方面，它應(yīng)能使晶體管迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，如圖2a）所示； 另一方面，在飽和導(dǎo)通的狀態(tài)下，又能使晶體管迅速截止。為此，采取了兩個措施： （1）關(guān)斷時，在基極和發(fā)射極之間加入反向電壓，使晶體管容易截止，如圖2b）所示。 （2）當(dāng)晶體管飽和導(dǎo)通后，應(yīng)適當(dāng)降低驅(qū)動電壓，使晶體管退出深度飽和的狀態(tài)，如圖2c）所示。
圖2 變頻器對驅(qū)動電源的要求 a）開通時要求b）關(guān)斷時要求c）驅(qū)動電源的電壓 2．驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu) 驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3a）所示，其負(fù)載是晶體管的B-E結(jié)。根據(jù)驅(qū)動電路對電源電壓的要求，濾波電容器CB的容量不宜太大。 3．突然停電后的過渡過程 一方面，由于CB的容量不大，另一方面，其輸出電流又并不小，所以，停電后，電壓UB和驅(qū)動電流IB將衰減得很快，如圖3b）中的曲線①所示。
圖3 驅(qū)動電路的電源 a）電路框圖b）停電后的過渡過程 控制電路的直流電源 1．控制電路的電源結(jié)構(gòu) 控制電路的主體是中央處理器（CPU），它對電壓穩(wěn)定度的要求極高。在圖4a）中，W1是開關(guān)電源輸出變壓器的一次繞組，CPU的電源從二次繞組之一取出。 本來，開關(guān)電源本身就具有穩(wěn)壓功能，但為了增強(qiáng)CPU電源的穩(wěn)定度和抗干擾能力，又增加了穩(wěn)壓電路，如圖4a）所示。圖中，7805是集成穩(wěn)壓電路，濾波電容器C01的容量很大，以保持直流電壓更加穩(wěn)定。C02和C03用于抗干擾。
圖4 控制電路的直流電源 a）電源框圖b）停電后的過渡過程 停電時逆變管損壞的原因 逆變用晶體管的額定功率 1．晶體管的功耗 眾所周知，晶體管有三個工作狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)、飽和導(dǎo)通狀態(tài)和放大狀態(tài)。今假設(shè)某晶體管的額定數(shù)據(jù)是：1200V、100A、500W。則在三個狀態(tài)之下的功耗如圖5所示。 （1）截止?fàn)顟B(tài)的功耗 在截止?fàn)顟B(tài)，集電極只有1mA的漏電流，電阻RC上的電壓降幾乎為0，晶體管的管壓降和電源電壓近乎相等，晶體管的功耗只有0.5W，如圖a）所示； （2）飽和狀態(tài)的功耗 在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極電流為100A，晶體管的管壓降為2.6V，功耗為260W，如圖b）所示； （3）放大狀態(tài)的功耗 以某放大狀態(tài)為例，集電極電流為50A，集電極電阻RC上的電壓降為248V，晶體管的管壓降為252V，功耗高達(dá)2.6kW。大大超過額定功耗。所以，開關(guān)晶體管只能用在開關(guān)狀態(tài)，絕對不允許在放大區(qū)停留。
圖5 晶體管的功耗 a）截止?fàn)顟B(tài)b）飽和狀態(tài)c）放大狀態(tài) 變頻器停電時的狀態(tài) 正常情況下，應(yīng)該首先使變頻器停止工作，然后切斷電源。 如果變頻器在正常運(yùn)行的狀態(tài)下突然切斷電源，情況如何呢？ 1．基極電流 如上述，停電后，基極驅(qū)動電路的電壓下降得很快，故基極電流也很快減小。假設(shè)，在tX時間內(nèi)，基極電流從額定狀態(tài)的1.5A減小為0.375A，晶體管進(jìn)入放大狀態(tài)，集電極電流減小為20A，如圖6a）所示。 2．主電路電壓 主電路電壓也下降得很快，但因?yàn)槌跏贾岛艽�，所以，在相同的tX時間內(nèi)，雖然下降得只有額定電壓的30%，但仍有150V。 3．晶體管的功耗 集電極電流的減小，使RC上的電壓降為100V，而晶體管的管壓降減小為50V，晶體管的功耗為1000W，是額定功耗的2倍。所以，晶體管必?zé)裏o疑。 變頻器的逆變器件改用IGBT管以后，因?yàn)槠淇刂茦O電流極小，驅(qū)動電路的電壓不會很快下降，上述現(xiàn)象基本上不再發(fā)生。
圖6 突然停電的結(jié)果 a）基極電流b）主電壓c）飽和狀態(tài)d）放大狀態(tài) 小小體會 當(dāng)電源電壓突變時，分析各部分電路的暫態(tài)過程是十分重要的，也是解開各種迷團(tuán)的主要途徑。 節(jié)選自《張燕賓電工實(shí)踐》
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