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用于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究




关键词:滤波器

中心论题:

有源电力滤波器的IGBT的特性。
用于有源电力滤波器的驱动电路的设计。
IGBT及驱动电路的保护方法。

解决方案:

栅极的驱动电压和电流要有足够的宽度保证IGBT的完好。
栅-射极间并联一电阻器防止器件误导通。
在二极管与IGBT的集电极间反串一个稳压管保护IGBT。
IGBT的集电极通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系实现自身过流保护。

前言

绝缘栅场效应晶体管(IGBT)作为一种复合型器件,集成了MOSFET的电压驱动和高开关频率及功率管低损耗、大功率的特点,在电机控制、开关电源、变流装置及许多要求快速、低损耗的领域中有着广泛的应用。本文对应用于有源电力滤波器的IGBT的特性及其专有EXB84l型驱动器的设计进行讨论,并提出一种具有完善保护功能的驱动电路。

有源电力滤波器设计中应用4个IGBT作为开关,并用4个EXB84l组成驱动电路,其原理如图l所示。在实验中,根据补偿电流与指令电流的关系,用数字信号处理器(DSP)控制PWM引脚的高低电平,并由驱动电路控制IGBT的通断。驱动电路同时对过流故障进行监测,由DSP采取封锁控制信号、停机等处理。

图一:实验电路的原理图

驱动电路的设计

a 驱动电路电源

驱动电路需要4路相互隔离的直流电源为4路IGBT驱动电路供电,用220V/22V变压器对4路交流电源分别整流,用电容器和78L24型电压调整器稳压后输出4路24V直流电压,如图2所示。


图二:驱动电路的电源设计

b  栅极电压

IGBT通常采用栅极电压驱动,它对栅极驱动电路有着特殊的要求。栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要足够大,导通时,前沿很陡的栅极电压UGE可以使IGBT快速导通,并减小导通损耗,关断时,其栅极驱动电路要给IGBT提供一个下降很陡的关断电压,并在栅极和发射极之间施加一个适当的反向负偏压,以便使IGBT快速关断,并减小关断损耗。IGBT导通后,栅极的驱动电压和电流要有足够的宽度,以保证IGBT在瞬时过载时未退出饱和区受到损坏。栅极驱动电压推荐值为15 V±1.5 V,这个电压值使IGBT完全饱和导通,并使通态损耗减至最小。施加关断负偏压可以抑制C-E间出现du/dt时IGBT的误导通,也可以减少关断损耗。

c 门极电阻R1

门极电阻R1的选取对通态电压、开关时间、开关损耗及承受短路的能力都有不同程度的影响。当门极电阻增大时,IGBT的开通和关断时间增加,从而使导通和关断损耗增加。当门极电阻减小时,则会导致di/dt增加,从而引起IGBT的误导通。所以应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率的不同选择R1的阻值。

Rl的值可以用下式计算:

IC为IGBT的集电极电流。如图3所示,一般R1取十几欧姆到几十欧姆,R2为30 Ω。由于IGBT是压控器件,当集-射极间加高压时,很容易受外界干扰,而使栅-射极间电压超过一定值,引起器件误导通,为了防止这种现象的发生,在栅-射极间并联一电阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍,而且应将它并联在栅-射极最近处。电路中的电容器Cl和C2用来抑制因电源接线阻抗引起的供电电压变化,而不是用于电源滤波。

d  EXB841驱动环节

笔者在实验中采用的是EXB841型专用IGBT驱动模块,其最高运行频率为40 kHz,输入信号经内部光耦隔离,光隔驱动电流为10 mA,最大延时约为1 μs。工作温度范围为-10℃~+85℃,供电电压为+20 V~+25 V。笔者对EXB841功能进行了扩展,图3为驱动环节电路。

 
图三:驱动环节的电路


EXB841的6引脚连接的二极管可检测IGBT的饱和压降,用来完成过流保护功能,4引脚的过流保护信号延时10μs输出。当IGBT有过流时,若UCE大于7.5V,内部过流保护电路开始动作,软关断IG-BT。通常在IGBT通过额定电流时UCE为3.5 V,当UCE=7.5 V时,IGBT有过流,其值约为额定电流的3~5倍,但是由于没有达到保护的阈值,保护电路不起作用。如果长时间工作在这种状态,则会导致IGBT损坏。为了可靠地保护IGBT,应该降低过流保护阈值,可以在D1与IGBT的集电极间反串一个稳压管,或多串几个与D1同规格的快速恢复二极管。如图3通过反串一个IN4728型3.3 V稳压管使保护阈值降为4.2V。当检测到IGBT过流后,5引脚变为低电平,TPL521型光耦输出低电平,通过与门封锁控制信号输入,同时使4输入与非门输出低电平,触发功率驱动保护中断,完成相应的保护处理。

e  控制部分与驱动部分的隔离

控制电路为弱电部分,极易受到干扰;驱动电路直接与外电路连接,是一个较强的干扰源;为了实现整个设备的电磁兼容,控制电路部分必须与驱动部分隔离。为了避免公共电源对控制电路产生干扰,应对控制电路及驱动电路分别供电,EXB84l的电源电压为+20 V,一般控制电路的供电电压为5 V,因此,可以利用图4所示的DC-DC微功率模块进行电源隔离,采A2405D型微功率模块实现电源的隔离。

图四:DC-DC微功率模块

IGBT及驱动电路的保护

a IGBT的过电压保护

IGBT集-射极之间的瞬时过压会对IGBT造成损坏,笔者采用箝位式吸收电路对瞬时过电压进行抑制。当IGBT导通时,由于二极管的作用,电容器的电荷不会被放掉,电容器电压仍为电源电压。IGBT关断时,负载电流仍流过IGBT,直到IGBT集-射极之间电压达到电源电压,续流二极管导通。应用该电路,可以使杂散电感中的能量通过二极管转储到吸收电容器中,而IGBT的集电极电位被箝位在电容电压上,这样就可以抑制IGBT集电极的尖峰电压。吸收电容器的容值可以按公式(2)选取:

式中,L是引线电感;i是IGBT关断时的电流;△U是吸收电容器上的电压过冲。

当吸收回路中的电容器电压高于直流侧电容器上的电压时,通过电阻器向直流侧电容器回送能量,一直到与直流侧电容器的电压相等。当IGBT关断时,线路电感在集电极和发射极二端产生很高的尖峰电压,加上箝位式吸收电路以后,UCE被箝位在电容器电压上,当UCE高于电容器电压时,线路电感的能量被转移到吸收电容器上,当尖峰电压过去以后,吸收电容高于主电容的那部分电压会由于能量回进而达到与主电容相等。这样就抑制了集-射极间的尖峰电压。吸收电容越大,吸收效果越好。由于吸收电容器上过冲的能量大部分被送回到直流侧电容,所以减小了电阻器的功耗。

b 消除IGBT集-栅极之间的du/dt

图5所示为EXB841与IGBT栅-射极之间的连接电路原理图。当驱动电路中的V4导通时,IGBT处于正常导通状态,当V5导通时,IGBT栅-射极之间通过稳压管VZ2提供一个-5V电压加在其两端,使IGBT关断,此时V5处于临界导通状态,稳压管VZ2处于反向偏置状态。但由于集-栅极之间分布电容的影响,集-栅极之间的du/dt增大时,其通过分布电容形成的电流经过,所以,要克服集-栅极之间的du/dt,确保稳压管不过压,避免IGBT误导通。克服du/dt的方法有二种:一是驱动电路输出与IGBT栅-射极之间的连线采用双绞屏蔽电缆,屏蔽层接地,二是采用快速吸收电路吸收过电压。

图五:EXB841与IGBT栅-极之间的连接电路原理

c EXB841的过流保护功能扩展

EXB841自身具有过流保护功能,其保护原理是利用IGBT的集电极通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系。当IGBT工作在正常状态时,EXB841的6脚电位箝制在8 V,内部保护不动作,当IGBT因承受过流而退出饱和状态时,IGBT集-射极间的电压上升很多,与EXB84l的6引脚相连的快速二极管截止,EXB841的6引脚被悬空,内部保护动作,输出驱动电压慢慢下降,实现IGBT的软关断。

在实际应用中,仅靠EXB841的6引脚检测IG-BT集电极电压来实现过流保护并不足以有效地保护IGBT,因此有必要在主电路中加接霍尔电流传感器来检测电路中的过流,如图6所示。过流发生后,检测电路检测到电流,延时8μs后信号还存在的话。封锁驱动信号以关断IGBT。在图中,霍尔电流传感器如果在主电路中检测到过流信号,其中的PNP三极管将导通,同时,NPN三极管被截止,EXB841的6脚被悬空;当没有过流信号时,PNP三极管不导通,NPN三极管导通,此时电路等效于扩展前的电路。


图六:过电流保护扩展

结束语

本设计应用以上电路对IGBT进行驱动和保护。此驱动电路是在典型驱动电路的基础上进行改进和完善的,并且自行设计了隔离部分和过电流保护扩展部分。此驱动电路相对简单、实用,对被驱动的IGBT有完善的保护能力,输出阻抗低,具有较强的抗干扰性能。

应用这种IGBT模块的有源滤波器的样机通过试验,证明硬件能够协调配合,控制效果稳定、精确,并且已经批量制板。

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