文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)02-0067-04
IGBT具有耐壓高,、電流大、開關(guān)速度高和低飽和壓降等優(yōu)良特點(diǎn),,在牽引電傳動(dòng),、電能傳輸與變換、有源濾波等電力電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1],。
IGBT模塊的保護(hù)主要由IGBT驅(qū)動(dòng)器來完成,。驅(qū)動(dòng)器是功率主電路與控制電路之間的接口,在充分發(fā)揮IGBT的性能,、提高系統(tǒng)可靠性等方面發(fā)揮著重要作用[2],。高性能的驅(qū)動(dòng)器可使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài),如開關(guān)延時(shí)小,、開關(guān)損耗低等[3],。本文提出的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)采用瑞士CONCEPT公司最新推出的2SC0108T模塊作為核心部件[4],,設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、硬件死區(qū)電路,、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路,、故障信號(hào)調(diào)理電路,試驗(yàn)結(jié)果證明該驅(qū)動(dòng)器具有良好的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)能力,。
1 2SC0108T簡(jiǎn)介
2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2雙通道驅(qū)動(dòng)器,。接口兼容3.3 V~15 V邏輯電平信號(hào),柵極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V/-8 V,,驅(qū)動(dòng)電流為8 A,,單通道輸出功率為1 W,可以驅(qū)動(dòng)600 A/1 200 V或 450 A/1 700 V的常規(guī)IGBT模塊或并聯(lián)IGBT模塊,,支持3級(jí)或多級(jí)拓?fù)?。具有短路保護(hù)、過流保護(hù)和電源電壓監(jiān)控等功能,。延遲時(shí)間為80 ns±4 ns,,抖動(dòng)時(shí)間為± 2ns[5]。
為了使2SC0108T在主回路中的性能達(dá)到最優(yōu),,必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍硬件電路,,如驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、IGBT功率驅(qū)動(dòng)電路和故障信號(hào)調(diào)理電路,,并集成到IGBT驅(qū)動(dòng)器中,。由于IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率較高,容易對(duì)其他模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)造成干擾,,而且,,驅(qū)動(dòng)信號(hào)線寄生電容和寄生電感對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能、可靠性有重要影響[6],,因此,,傳統(tǒng)的安裝模式為驅(qū)動(dòng)器和IGBT模塊獨(dú)立安裝,通過雙絞線連接以減少寄生電容,、寄生電感的影響,。本文從減小信號(hào)線寄生電容、寄生電感和電磁干擾(EMI)方面考慮,,設(shè)計(jì)了一個(gè)直接安裝于IGBT模塊上的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器,。
2SC0108T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,,主要由三個(gè)功能模塊構(gòu)成,,即邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化接口LDI(Logic-to-Driver Interface)、電氣隔離模塊和智能柵極驅(qū)動(dòng)IGD(Intelligent Gate Driver),。
第一個(gè)功能模塊是由輔助電源和信號(hào)輸入兩部分組成,。其中信號(hào)輸入部分主要將控制器的PWM信號(hào)進(jìn)行整形放大,,并根據(jù)需要進(jìn)行控制,之后傳遞到信號(hào)變壓器,,同時(shí)檢測(cè)從信號(hào)變壓器返回的故障信號(hào),,將故障信號(hào)處理后發(fā)送到故障輸出端;輔助電源的功能是將輸入的直流電壓經(jīng)過單端反激式變換電路,,轉(zhuǎn)換成兩路隔離電源供給輸出驅(qū)動(dòng)放大器使用,。
第二個(gè)功能模塊是電氣隔離模塊,由兩個(gè)傳遞信號(hào)的脈沖變壓器和傳遞功率的電源變壓器組成,。防止功率驅(qū)動(dòng)電路中大電流,、高電壓對(duì)一次側(cè)信號(hào)的干擾。
第三個(gè)功能模塊是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊,,IGD主要對(duì)信號(hào)變壓器的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和放大,,對(duì)IGBT的短路和過流進(jìn)行檢測(cè),并進(jìn)行故障存儲(chǔ)和短路保護(hù),。
2 IGBT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)器主要由2SC0108T模塊,、前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路,、故障信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成,,驅(qū)動(dòng)器功能框圖如圖2所示。
由控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)A和B,,經(jīng)過前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)理后,,分別送入2SC0108T驅(qū)動(dòng)信號(hào)端INA和INB,INA和INB分別控制IGBT模塊的上橋臂和下橋臂,。故障報(bào)警信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路輸出,。由于需要檢測(cè)IGBT的過流、短路,、二次側(cè)電壓等故障狀態(tài),,以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的觸發(fā)能力并改善IGBT的開關(guān)特性[7],設(shè)計(jì)了后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路,。
2.2 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路
由于驅(qū)動(dòng)器置于IGBT模塊上,,控制器與驅(qū)動(dòng)板之間的邏輯信號(hào)走線相對(duì)較長(zhǎng)。為了提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力,,設(shè)計(jì)了前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路,,如圖3所示。
驅(qū)動(dòng)信號(hào)先后經(jīng)過了電平轉(zhuǎn)換,、電平箝位,、死區(qū)/互鎖電路和波形整形最終送入2SC0108T模塊。因2SC0108T為高電平驅(qū)動(dòng)方式,,所以此功能電路設(shè)計(jì)成輸入信號(hào)相對(duì)輸出信號(hào)為反邏輯,,即控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí),,加在IGBT上的柵壓為正向柵壓來觸發(fā)IGBT導(dǎo)通;反之,,IGBT關(guān)斷,。當(dāng)控制器上電復(fù)位或出現(xiàn)故障時(shí),驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平,,從而關(guān)斷IGBT,,提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。
由Q101,、Q102構(gòu)成的電路網(wǎng)絡(luò)主要完成兩路信號(hào)的互鎖和死區(qū)時(shí)間的設(shè)定,,兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間可以通過穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值來調(diào)節(jié),,直接模式下(Rm=150 k?贅),,穩(wěn)壓管D108、D109的穩(wěn)壓值為3.3 V,。硬件死區(qū)電路有效時(shí),,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得死區(qū)時(shí)間為5.08 μs,死區(qū)時(shí)間可以滿足實(shí)際工程中的需要,。表1為互鎖電路信號(hào)作用表,。
由表1可知,2SC0108T工作在直接模式下,,由于有互鎖電路,,避免了IGBT上下直通的可能。
2.3 故障信號(hào)調(diào)理電路
故障狀態(tài)輸出端SO1,、SO2實(shí)時(shí)顯示IGBT模塊和供電電源的狀態(tài),,并通過故障報(bào)警信號(hào)調(diào)理電路上報(bào)控制器。
因故障狀態(tài)輸出端SO1,、SO2為集電極開路門電路,,外部需接上拉電阻。當(dāng)故障(初級(jí)側(cè)欠壓,、二次側(cè)欠壓,、IGBT過流或短路)發(fā)生時(shí),相應(yīng)的SOx輸出低電平,;否則,,輸出高電平。如果電源電壓欠壓,,封鎖驅(qū)動(dòng)器并且兩個(gè)故障輸出端同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),,直到電源電壓工作正常。當(dāng)二次側(cè)發(fā)生故障(檢測(cè)到IGBT模塊短路或電源欠壓)時(shí),相應(yīng)的故障輸出端發(fā)出報(bào)警信號(hào),,在一個(gè)死區(qū)時(shí)間過后,相應(yīng)的故障信號(hào)消失[9],。所有故障狀態(tài)均通過故障信號(hào)調(diào)理電路上報(bào)控制器,。因故障狀態(tài)輸出端SO1、SO2為集電極開路門電路,,故將兩個(gè)故障輸出端直接短接實(shí)現(xiàn)“或非”邏輯,,作為故障報(bào)警信號(hào)公共端。當(dāng)上述任何一種故障發(fā)生時(shí),,均作為有效故障信號(hào)上報(bào)控制器,,并做相應(yīng)處理,這樣既可以簡(jiǎn)化電路硬件設(shè)計(jì)又可以提高驅(qū)動(dòng)器的可靠性,。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得驅(qū)動(dòng)器的欠壓保護(hù)門限值為12.1 V,,清除欠壓故障電壓門限值為12.8 V。
2.4 后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路
IGBT后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出通道和IGBT模塊之間的電路接口,。二次側(cè)欠壓,、IGBT過流或短路故障狀態(tài)的檢測(cè)都是由后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn),如圖4所示,。
VCE為IGBT集電極檢測(cè)端,,為了檢測(cè)IGBT過流或短路,集電極檢測(cè)端須通過圖4所示的電路連接到IGBT的輔助集電極上,。GH和GL分別為柵極開啟和關(guān)斷端,,通過開啟、關(guān)斷柵極限流串并網(wǎng)絡(luò)連接到IGBT的柵極,。柵極限流阻值對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前后沿陡度和IGBT的開關(guān)特性有影響,。當(dāng)阻值增大時(shí),可以抑制柵極脈沖前后沿陡度,、防止寄生振蕩,、減小開關(guān)dic/dt值、限制IGBT集電極尖峰電壓,;當(dāng)阻值減小時(shí),,可能會(huì)導(dǎo)致G、E之間發(fā)生振蕩以及IGBT集電極dic/dt值增加,,引起IGBT集電極尖峰電壓,,使IGBT損壞。該功能電路的作用是,,若柵極限流電阻發(fā)生開路故障,,此電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值會(huì)增加,可以抑制驅(qū)動(dòng)信號(hào)前后沿陡度、減小開關(guān)dic/dt值,,可以保證即使柵極限流網(wǎng)絡(luò)發(fā)生開路故障時(shí),,還能夠觸發(fā)IGBT,從而提高柵極后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的可靠性[10],。
二極管D1,、D2用于二次側(cè)欠壓保護(hù)。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓欠壓時(shí),,不能觸發(fā)IGBT導(dǎo)通,,二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通,集電極檢測(cè)端電壓升高到設(shè)定值時(shí),,封鎖相應(yīng)的后級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)通道并通過故障輸出端發(fā)出報(bào)警信號(hào),。為了防止誤觸發(fā),二極管漏電流必須小,。因正常導(dǎo)通時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V,,IGBT輔助集電極電壓相對(duì)較低,為防止二極管反向擊穿,,其阻斷電壓應(yīng)大于40 V,。
當(dāng)柵極處于失控狀態(tài)、主電路突加電壓時(shí),,由于集電極-柵極,、柵極-發(fā)射極存在寄生電容,集電極電勢(shì)的突然變化,,就會(huì)有大小為C·du/dt的電流流過寄生電容(C為寄生電容容值),,使柵極電勢(shì)上升,誤觸發(fā)IGBT,。為防止上述情況的發(fā)生,,在GL和VE之間接一電阻Reg,為IGBT的柵極和發(fā)射極提供一個(gè)低阻抗回路,,其阻值要求為22 kΩ或更大,。
REF端內(nèi)部集成有可以提供150 μA的恒流源,參考電阻Rth的阻值通過如下公式進(jìn)行計(jì)算:
實(shí)際應(yīng)用中,,設(shè)計(jì)者可以根據(jù)IGBT模塊的過流倍數(shù)來選取合適的關(guān)斷門限值,。
CA1、CA2為響應(yīng)時(shí)間電容,,其作用是以電阻Rth端電壓為參考,,通過與其串聯(lián)電阻的充電時(shí)間特性來確定響應(yīng)時(shí)間。
當(dāng)觸發(fā)IGBT導(dǎo)通時(shí),,測(cè)試信號(hào)無效,。而IGBT導(dǎo)通需經(jīng)過一定的開通時(shí)間,,如果沒有響應(yīng)時(shí)間電容Ca,則在IGBT開通過程中,,將導(dǎo)致比較器正極性端電壓高于Vth而誤報(bào)警,。若電容選擇合適,在IGBT開通過程中,,使電容充電時(shí)間大于開通時(shí)間即可避免上述情況的發(fā)生,。通常情況下,不同額定電流值的IGBT模塊導(dǎo)通壓降不同,。額定電流為450 A的IGBT的導(dǎo)通壓降一般情況為2 V,,若IGBT工作中發(fā)生過流,,其集電極電壓會(huì)上升,,并且正比于電流值。過流故障發(fā)生前電容Ca的電壓為正常導(dǎo)通壓降,,過流時(shí)電容兩端的電壓與時(shí)間的關(guān)系為:y=2e-t/RC+UCE(1-e-t/RC),。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間電容為33 pF,電阻R為120 kΩ,,Vth為5.85 V,,過流導(dǎo)通壓降UCE為10 V時(shí)的MATLAB仿真曲線如圖5所示。
實(shí)踐中可以通過選擇響應(yīng)時(shí)間電容的容值,,關(guān)斷門限值電壓Vth,,IGBT過流倍數(shù)來計(jì)算圖5中t1的值:
與傳統(tǒng)的IGBT驅(qū)動(dòng)器相比,即插即用型驅(qū)動(dòng)器采用了與IGBT模塊一體化的設(shè)計(jì)思想,,減小了驅(qū)動(dòng)信號(hào)線上寄生電容和寄生電感的影響,,提高了驅(qū)動(dòng)器的可靠性。本文基于2SC0108的即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器,,通過對(duì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路,、后級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路及故障信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了多工作模式可選,、多種故障狀態(tài)檢測(cè)及保護(hù)等功能,。即插即用型IGBT驅(qū)動(dòng)器的調(diào)試、試驗(yàn)和工程應(yīng)用都驗(yàn)證了本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性,。
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