igbt驱动电路范文

时间:2023-10-08 13:57:16

igbt驱动电路

igbt驱动电路篇1

关键词:IGBT驱动 HCPL-316J 三相逆变电路 分立元器件

Abstract: In order to simplify the driving circuit of the power converter using discrete power devices IGBT and improve the stability and reliability of the IGBT, optical coupler HCPL-316J is employed in the driving circuit of the IGBIT. The structure and principle of the HCPL-316J is analyzed in detail. According to the requirements of the IGBT, an IGBT driving circuit base on optical coupler HCPL-316J for a three phase half bridge topology is designed. This circuit can work well in a wider voltage range with the ability of under voltage protection, over voltage protection, over current protection, etc., which can guarantee the IGBT reliable operation. The experimental results illustrate that this driving circuit has the good ability of driving and protection, and reduce the cost of the power converter.

Key words: IGBT driver, HCPL-316J, Three Phase Inverter Circuit, Discrete Power Devices

中图分类号:S611 文献标识码:A 文章编号:

0 引言

随着电力电子技术的发展和应用领域的不断拓展,功率电路与功率器件作为这些应用中的关键因素收到了更广泛的重视。绝缘栅双极性晶体管(IGBT)是一种电压控制型功率器件,其导通压降低,具有较大的安全工作区间和短路承受能等特点使它在中功率以上的逆变器成为主流[1]-[5]。在整个电力电子系统中,IGBT等功率器件成本占总成本的60%以上,如何有效的驱动和保护功率器件,降低驱动器成本是非常必要的。在分析了IGBT驱动的基础上,利用HCPL-316J芯片提供的光耦隔离,过流欠压等保护功能设计了基于分立元器件的三相逆变电路,既降低了逆变器成本又能满足IGBT驱动和保护的要求。

1驱动电路

IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压uGS、 负偏压-uGS和门极电阻RG的大小,对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及du/dt电流等参数有不同程度的影响。 其中门极正电压uGS的变化对IGBT的开通特性,负载短路能力和duGS/dt电流有较大的影响, 而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时, 门极电路设计中也必须注意开通特性,负载短路能力和由duGS/dt电流引起的误触发等问题。

一般来说,IGBT驱动主要有以下几个要求[2]-[9]:

(1) 弱电与强电相互隔离。

(2) 选择合适的RG。RG较大,有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗;RG较小, 会引起电流上升率增大,使IGBT 误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT 的容量有关,一般在几欧~几十欧, 小容量的IGBT 其RG值较大。

(3) 选择合适的驱动电压。对于正向驱动电压,过大会导致误导通或器件的损坏,过小会使器件因退出饱和区进入线性区而过热损坏。为了防止器件关断时浪涌电流而使IGBT误导通,一般采用-5v的负偏压。

(4) IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但如带大电感负载,开关频率不宜太大,因为高速的开通关断会产生很大的尖峰电压,会对器件造成损坏。

(5) 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。

(6) 驱动电路应提供足够的功率,使器件开通后,IGBT不至退出饱和而损坏。

图1为 HCPL-316J 内部结构图[10]。光耦管 LED1组成输入控制电路, VIN+和 VIN-分别为正/负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时, VIN+置为高电平, VIN-接输入信号; 反之, 当输入正逻辑信号时, 则 VIN-置为低电平, VIN+接输入信号。输入信号门电路由 LED1 传送到内部驱动电路并转换为 IGBT 的门极驱动信号。 光耦管 LED2 等组成故障信号控制电路, 该驱动器 7 引脚悬空, 8 引脚接地, VCC1 和 GND1 为输入侧电源,VCC2 和 VEE 为输出侧电源,

图1 HCPL-316J 内部结构图

VC 为推挽式输出三极管集电极的电源可直接与 VCC2 相接, 或者串联一只电阻 RC 以限制输出导通电流, VOUT 为门极驱动电压输出端。可以在被驱动的功率器件过流或门极驱动电路自身电源发生故障时,对被驱动的 IGBT进行快速有效地保护。该系列驱动器具有高 dv/dt 容量; 保护功能完善; 故障记忆, 通过 FAULT信号告知控制系统; 上下互锁,避免同一桥臂两只 IGBT同时开通; 栅极电阻外部可调, 使用不同功率的 IGBT时都能工作在较高的开关频率下, 并得到高转换效率。

由 LED2 等组成的故障保护电路, DESAT为过流检测输入端, 通过串联电阻和箝位二极管与 IG-BT集电极相连。正常状态下, 不可能检测到过流故障, FAULT 为低电平, RS 触发器输出端 Q 保持低电平, 确保输入信号通过发光二极管 LED1, 且故障信号输出 FAULT为高电平, 复位端 RESET 对输入通道不起作用。若 DESAT 检测到过流信号( DESAT 端电压超过 7 V) , 则 FAULT 为高电平。该信号经内部逻辑一方面闭锁驱动器输出及LED1 的输入信号, 另一方面使 LED2 导通, RS 触发器输出端 Q 为高电平, 故障输出 FAULT 为低电平, 通知外部微机。当 IGBT发生过流, 驱动器输出电平下降, 使 IGBT 软关断, 以避免突然关断时因产生过压而导致 IGBT 损坏。另外, 由于故障输出端 FAULT 为集电极开路, 可实现多个器件的FAULT并联到微机上。

2HCPL316 芯片功能介绍

HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器, 其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路, 为驱动电路的可靠工作提供了保障。 其特性为:兼容CMOS/TYL电平;光隔离,故障状态反馈; 开关时间最大500ns; “软” IGBT关断;欠饱和检测及欠压锁定保护;过流保护功能;宽工作电压范围(15~30V) ; 用户可配置自动复位、 自动关闭[10]。

3驱动电路设计

HCPL-316的输出功能可以简略的用下面的逻辑功能表来描述。 (详见表1).依据芯片的逻辑功能和逆变电路的原理。设计了带卸放斩波管的逆变桥功率电路(如下图所示)的驱动。

图2 逆变桥功率电路

FAULT,RESET信号采用全局设置,即七路驱动的FAULT, RESET并联在一起使用。每一个IGBT的驱动电路如图3所示。

图3基于HCPL-316J 的IGBT驱动电路

电路中的元件参数依据驱动条件和所驱动的管子所决定。本文所用的功率管为FGA25N120ANTD,耐压1200V, 结温25°C时,耐流50A。 高压侧采用1:100的差分探头,低压采用普通探头,测的驱动实验波形如图4所示:

(a) 一路IGBT驱动的光耦两侧的信号

(b) 一相桥臂IGBT的驱动波形

图4 驱动电路实验波形

4结论

在分析了IGBT驱动的基础上,利用HCPL-316J芯片提供的光耦隔离,过流欠压等保护功能设计了基于分立元器件的三相逆变电路。由实验波形可以看出,该驱动电路能够满足IGBT导通和关断的动态要求,为进一步功率电路的应用打下了基础。

参考文献

[1] 潘江洪,苏建徽,杜雪.IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究. 电源技术应用[J]. 2005年第8卷第11期:51-58.

[2] 王兆安,黄 俊.电力电子技术[M],北京:机械工业出版社,2005.

[3] 刘志刚,叶斌,梁晖.电力电子学[M],北京:清华大学出版社,2004.

[4] 魏培华,唐海燕,李云.IGBT 智能化驱动电路设计[J], 机车车辆工艺,2007年第2期:30-33.

[5] 乔冠梁,丁远翔,丁学文.IGBT模块的一种驱动设计[J],国外电子元器件,2007 年第 10 期:36-39.

[6] 陈 俊,李晓帆,扶瑞云,张业茂.基于CPLD 的IGBT 高压大功率驱动电路的研究[J],通信电源技术,2007年第24卷第10期:14-16.

[7] 曾繁玲,IGBT驱动与保护电路的研究[J],电子质量,2007年第3期:34-36.

[8] 王云丽,张清扬,杨化鹏.基于光伏系统IGBT 的驱动及保护研究[J],西北水利发电,2006年第22卷第22期:4-6.

[9] 唐杰,唐雄明,孟志强.一种专为IGBT和MOSFET 设计的新型集成驱动器[J],国外电子元器件,2003年第11期:53-55.

[10] HCPL-316J 使用手册,.

作者简介:

igbt驱动电路篇2

【关键词】晶体管 数学模型

如今科技水平进展迅速,越来越多的电子产品和装置受到人们关注。而一些电力半导体器件和电力电子装置的发展更是受到了专业人士的喜爱,人们也对器件和装置的要求越来越高。其中,最受人们关注乃是IGBT器件,其具有开关性能好、驱动简单等优势。目前,有一些系列的集成驱动器对IGBT器件的开关采取多种保护措施。然而还有别的因素也会影响IGBT器件过程,如驱动电源性能。驱动电源若功率过大,则会使门极电流过高,而若驱动电源容量不足,则会引起IGBT器件开关新能出现问题。本文建立了相应的驱动等效电路,推导了相应的表达式,为驱动电源设计提供了依据。

1 IGBT门极控制机理

如图1所示,其为比较常见的IGBT器件驱动电路结构。IGBT器件驱动电路是指控制部分与装置主回路的衔接地方,而驱动电路为了使IGBT器件开通或关断,需要将控制输出信号的电平转变为相应的驱动功率。通过图1认识相关的驱动电路器件,如Q代表IGBT器件,Ug+代表驱动电源开通,Ug-代表驱动电源关断,V1,V2代表电平转变功率作用的电路,CGE代表门极结电容,CGC代表米勒电容,Ron和Roff均代表门极驱动电阻,R1代表门极保护电阻,Z代表双向稳压管,R1、Z和C1能对IGBT门极起到动静态过电压保护的作用。

1.1 IGBT器件开通时驱动工作过程

IGBT器件开通与关断主要是驱动电路对门极输入电容Gies进行充放电。门极输入电容Cies等效为CGE和CGC并联,如果IGBT器件最初为阻断,那么器件门极承受反压Ug-。

(1)

根据方程式(1),即门极电压电流方程式可以看出门极输入电容Cies随着IGBT器件的运行状态而产生变化。

IGBT器件开通时,驱动电路对门极结电容CGE进行充电,此时CGC约等于0,IGBT器件的门极电压逐步提高,t1时刻门极电压提高到相应程度时,IGBT器件打开,器件运行至放大区。

t2时刻,uG继续升高,直至到Um,此时IGBT器件集电极电流处在饱和状态。从另外一个角度来看,如器件内部物理结构,发射极注入载流子到漂移区从而达到动态平衡,而一些作用使相应的空间电荷区变窄或消失。IGBT器件集射极承受电压下降,而相关的米勒电容CGC逐渐增大,门极输入电容Cies也相应增大,t2时刻,IGBT器件门极出现了恒压和恒流的特征。

随后,米勒电容CGC恒定,器件稳定运行于饱和区。

1.2 IGBT器件关断时驱动工作过程

IGBT器件关断驱动工作过程与开通时驱动工作过程不同,关断时IGBT器件退出饱和区,米勒电容CGC逐渐减小至零,随后IGBT器件电流逐渐下降,最终截止。

2 IGBT器件驱动数学模型

2.1 IGBT器件开通时门极电路方程

其波形显示在0到t2时间段内,门极输入电容Cies与米勒电容CGC相等,而且在0到t1时间段内,驱动电路只对器件门极进行了放电,此时器件还未开通,t1时刻电压大约为Uth。到了t1到t2时间段,IGBT器件电流上升,直到饱和,其中tr为电流上升的时间。根据方程式(1),可以知道t1到t2时间段的电路方程式为方程式(2)。

(2)

在t2到t3的时间段内,门极输入电容Cies等于门极结电容CGE与相应时间段米勒电容CGC(t)之和,此时IGBT器件保持在米勒效应区。t2到t3的时间段内CGC逐渐增大,IGBT器件门极出现恒压恒流特征,其电路方程为方程式(3)。

(3)

此外,还可以根据在门极输入电容Gies在相应期间米勒效应区存在的电荷量ΔQ,可以得出ΔQ的部分电荷量存储在CGC上,根据这些条件,可以知道米勒效应区持续时间计算方式为方程式(4)。

(4)

在t3到t4的时间段内,门极输入电容Gies处在恒定状态,门极输入电容Cies等于门极结电容CGE与米勒电容CGC之和。此时,IGBT器件门极充电至稳态,器件也完全开启,相应的电路方程为方程式(5)。

(5)

虽然IGBT器件关断驱动工作过程与开通时驱动工作过程不同,但关断时的门极方程仍然可以按照IGBT器件开通时的等效过程进行列写,即不同时间阶段电路方程式描写。

2.2 电容CGC及电压Um

IGBT器件开通时,在米勒效应区内米勒电容CGC随着器件集射极承受电压下降而逐渐增大。

ΔQ和uG在不同集射极电压下IGBT器件开通时的相关曲线如图2所示。根据图2的曲线可知,该曲线是从ΔQ与uG关系角度进行,描述了IGBT器件开关瞬间的三个等效过程。根据图2的曲线图可以推测出Cgc=ΔQ/Um。

3 IGBT驱动电路损耗

在IGBT器件开关过程中,门极驱动电阻均会对门极电容上的电荷量进行消耗,而在IGBT器件开通的瞬间,门极驱动电阻Ron所消耗的能量计算方式为方程式(6)。

(6)

如果IGBT器件关断时,门极驱动电阻Roff所消耗的能量与IGBT器件开通时门极驱动电阻Ron消耗的能量相等,而且IGBT器件的开关频率为f,那么计算IGBT在开挂瞬间,驱动电路所消耗的平均功率的方式为方程式(7)。

(7)

根据对IGBT器件的驱动电源的要求,驱动电源输出的平均功率要大于或等于PW。根据方程式(2)的要求,IGBT器件开关瞬间,其驱动电源输出的最大正负峰值电流要大于Im+,Im-,关于Im+和Im-的计算方式为方程式(8)。

(8)

4 实验结果

本文对其中IGBT器件MG75J2YS45进行了测试,实验中IGBT器件驱动电路如图1所示,其中门极驱动电压Ug+为15伏,Ug-为-9伏,门极驱动电阻Ron与Roff相等,均为15欧,门极结电容CGE为8.5纳法,PWM频率f为2kHz。根据图2的曲线可以知道器件Uth约为4.5伏,而在实验中,根据器件集电极电流的情况,选择Uth约为5伏。根据集电极电压200伏的条件,器件米勒电压约为6.5伏,而门极充电电荷量ΔQ约为220纳库,并推算出CGC约为.2纳法。

仿真波形与驱动波形虽然具有一定的相似程度,但还存在一定的差异。驱动模型基本上能够反映IGBT在开通和关断瞬间驱动器的工作过程,但由于驱动电源的输出电压上升时间问题,以及寄生电感阻碍门极电流问题,导致出现了差异。为了减少寄生电感的影响,应采用直接安装于器件端子侧的结构。

根据方程式(7)和方程式(8)的要求,IGBT器件开通和关断时,驱动电源的平均功率要大于22.5毫瓦,其中驱动电源输出的瞬态峰值电流Im+要大于+1.6安,Im-要大于-1.6安。

5 结束语

综上所述,随着科技水平进展迅速,电子产品和电子装置的运用越来越广,其中IGBT器件以其优良的性能和优势受到了人们的普遍关注和应用。为了保证IGBT器件能够安全工作,本文通过建立驱动电路模型对IGBT器件驱动电路的安全性进行了检测。通过上述分析可知,通过建立驱动电路模型,能够有效反应IGBT的开关过程,而相关的计算结果,则可作为选择或设计驱动电源的依据。

参考文献

[1]宁大龙,同向前,胡勋.IGBT器件的门极驱动模型及应用[J].电力电子技术,2012,12:106-108.

igbt驱动电路篇3

固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言,电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外,还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。

IGBT是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件?开关频率高?广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当,它很容易损坏。一般认为IGBT损坏的主要原因有两种:一是IGBT退出饱和区而进入了放大区?使得开关损耗增大;二是IGBT发生短路,产生很大的瞬态电流,从而使IGBT损坏。IGBT的保护通常采用快速自保护的办法?即当故障发生时,关断IGBT驱动电路,在驱动电路中实现退饱和保护;或者当发生短路时,快速地关断IGBT。根据监测对象的不同?IGBT的短路保护可分为Uge监测法或Uce监测法?二者原理基本相似?都是利用集电极电流IC升高时Uge或Uce也会升高这一现象。当Uge或Uce超过Uge?sat?或Uce?sat?时,就自动关断IGBT的驱动电路。由于Uge在发生故障时基本不变,而Uce的变化较大?并且当退饱和发生时?Uge变化也小?难以掌握?因而在实践中一般采用Uce监测技术来对IGBT进行保护。本文研究的IGBT保护电路,是通过对IGBT导通时的管压降Uce进行监测来实现对IGBT的保护。

采用本文介绍的IGBT短路保护电路可以实现快速保护,同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器,降低整个系统的成本。实践证明,该电路有比较大的实用价值,尤其是在低直流母线电压的应用场合,该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。

1 短路保护的工作原理

图1(a)所示为工作在PWM整流状态的H型桥式PWM变换电路(此图为正弦波正半波输入下的等效电路,上半桥的两只IGBT未画出),图1(b)为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析(对于三相PWM电路,在整流、逆变工作状态或单相DC/DC工作状态下,PWM电路的分析过程及结论基本类似)。

在图1所示的电路中,在市电电源Us的正半周期,将Ug2.4所示的高频驱动信号加在下半桥两只IGBT的栅极上,得到管压降波形UT2?D。其工作过程分析如下:在t1~t2时刻,受驱动信号的作用,T2、T4导通(实际上是T2导通, D4处于续流状态),在Us的作用下通过电感LS的电流增加,在T2管上形成如图1(b)中UT2?D所示的按指数规律上升的管压降波形,该管压降是通态电流在IGBT导通时的体电阻上产生的压降;在t2~t3时刻,T2、T4关断,由于电感LS中有储能,因此在电感LS的作用下,二极管D2、D4续流,形成图1(b)中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形,以此类推。分析表明,为了能够检测到IGBT导通时的管压降的值,应该将在t1~t2时刻IGBT导通时的管压降保留,而将在t2~t3时刻检测到的IGBT的管压降的值剔除,即将图1(b)中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于IGBT的开关频率比较高,而且存在较大的开关噪声,因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。

图2 IGBT短路保护电路原理图

    根据以上的分析可知,在正常情况下,IGBT导通时的管压降Uce(sat)的值都比较低,通常都小于器件手册给出的数据Uce(sat)的额定值。但是,如果H型桥式变换电路发生故障(如同一侧桥臂上的上下两只IGBT同时导通的 “直通”现象),则这时在下管IGBT的C~E极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来,就可以作为对IGBT进行保护的依据,从而对IGBT实施有效的保护。

2 短路保护电路的设计

由对图1所示电路的分析,可以得到IGBT短路保护电路的原理电路图,如图2所示。在图2所示电路中?IC4及其外围器件构成选通逻辑电路,由IC5及其外围器件构成滤波及放大电路,IC2及其外围器件构成门限比较电路,IC1及其外围器件构成保持电路。正常情况下,D1、D2、D3的阴极所连接的IC2D、IC2C及CD4011的输出均为高电平,IC1的输出状态不会改变。假设由于某种原因,在给T2发驱动信号的时候,H型桥式PWM变换电路的左半桥下管T2的管压降异常升高(设电平值为“高”),即T2-d端电压异常升高,则该高电平UT2-d通过R2加在D8的阴极;同时,发给T2的高电平驱动信号也加在二极管D5的阴极。对IC2C来说,其反相输入端为高电平,若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话,则IC2C输出为“低”。该“低”电平通过D2加在R-S触发器IC1的R输入端,使其输出端Q的输出电平翻转,向控制系统发出IGBT故障报警信号。如果是由于右半桥下管T4的管压降异常升高而引起IC2D输出为“低”,则该“低”电平通过D1加在R-S触发器IC1的R输入端,使其输出端Q的输出电平翻转,向控制系统发出IGBT故障报警信号。由IC5A和IC5C及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述IGBT管压降的电压信号进行预处理后,送给由IC5B构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由R22和R32确定的门槛电平,则会使R-S触发器IC1的R端的第三个输入端为“低”,也向控制系统发出IGBT故障报警信号。改变由R22和R32确定的门槛电平,就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义,从而灵活地设计保护电路。图2中的端子T4-d、T2-d,分别接在T4、T2的集电极上,T4-G、T2-G分别接IGBT器件T4、T2的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是,D8、D5、D9、D4必须采用快速恢复二极管。

3 仿真及实验结果

当图1所示的PWM变换器工作在单相高频整流模式下,应用PSPICE仿真软件对图2所示的电路进行仿真研究,可以得到如图3所示的结果。图3所示的仿真波形相当于在图2电路中IC5B的第7脚观察到的信号波形。仿真结果表明,检测电路可以快速、有效地将PWM变换器的下管导通时的管压降检测出来。图4所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中,1#通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形,2#通道显示的是实际检测到的图2电路中IC5B的第7脚的工作波形。比较图3和图4可以得出,该检测电路可以快速、有效地检测出IGBT导通时的管压降,从而对IGBT实施有效的保护。

    图5所示为IGBT过流时实际检测到的PFC电感中流过的电流及保护电路动作的波形。

igbt驱动电路篇4

引言

400Hz中频电源在工业、国防、航海、航空等领域中应用非常广泛。目前在我国,400Hz中频供电系统大多为中频机组,体积大,噪音高,效率低,管理不便。我们研制了一台用绝缘栅双极晶体管(IGBT)做为主功率开关器件的400Hz正弦波中频逆变电源,它具有体积小,重量轻,噪音低,转换效率高,工作可靠,使用方便等优点,是中频机组的理想替代新产品。

IGBT是新一代复合型电力电子器件,它的控制级为绝缘栅控场效应晶体管,输出级为双极功率晶体管,因而它兼有两者的优点而克服了两者的缺点,如高的输入阻抗;高的开关频率;很小的驱动功率;通态压降小;电流密度大等。

图1

1 系统组成及工作原理

1.1 逆变电源主电路

正弦波中频逆变电源的主电路构成如图1中的上半部分所示,图中K1为空气开关。L为EMI滤波器,用以滤掉电网中的干扰和消除逆变电源对电网的干扰。K2,K3,K4为接触器,K2的作用是在系统启动时接通电源,在故障时切断主电源,其辅助触点K2′用来在停机或保护电路动作时使滤波电容C1及C2上贮存的能量通过电阻R2快速放掉,以便检修或避免掉电时电容C1及C2中聚积的能量还未放完,逆变桥中同桥臂上下主功率IGBT因驱动脉冲电平不确定发生同时导通而损坏。接触器K3和电阻R1构成软起动电路,其作用是在系统启动时,通过电阻R1缓慢地对电容C1及C2充电,防止直接启动时由于电容器C1及C2上初始电压为零,导致整流桥模块承受过大的电流冲击而损坏,当电容C1及C2上的电压充到一定值时,接触器K3动作,其触点将电阻R1短接。K4用于将电源输出与负载隔开,等系统启动成功后再将负载接通,以保证电源系统顺利启动及保护用电设备。滤波电容C1及C2用来对整流后的电压进行滤波,以保证提供给逆变桥的电压为平直的直流电压。R3及R4分别并于C1及C2两端,以保证C1及C2各承受主电路中直流电压的一半。S为霍尔电流传感器,对逆变电源的直通及短路保护提供一取样信号。V1~V4为4只IGBT,构成桥式逆变电路。C3及C4用来抑制IGBT通断过程中因电路中电感的存在引起的尖峰脉冲电压Ldi/dt,保证主功率开关器件IGBT不因承受过高的尖峰脉冲电压而击穿损坏。L1,L2,C5构成输出滤波器,把逆变桥输出的按正弦波规律变化脉宽的高频脉冲波还原成中频正弦波输出,并经变压器T1隔离后为负载提供合适幅值的电压。

逆变电源主电路的工作原理可归纳如下:三相(或单相)交流市电经EMI滤波器滤波后,由整流桥模块U整流,再经电容滤波,加至由IGBT构成的桥式逆变电路,该直流高压经逆变电路逆变为脉宽按正弦波规律变化的高频脉冲波,再由输出滤波器滤掉高频谐波,得到中频正弦波,最后由变压器隔离、变压(升压或降压)后提供给负载。SPWM脉冲波由主控制电路产生并根据输出反馈电压和反馈电流来改变脉冲波的宽度,从而保证输出电压的稳定。

    1.2 主控制电路

主控制部分的原理框图如图2所示。它采用INTEL公司的16位单片机87C196MC作为控制核心。该单片机主要用于控制和数据处理,并具有脉宽调制信号输出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。单片机产生载频为20kHz的SPWM脉冲信号,由脉宽调制信号输出端口输出,通过驱动电路加到IGBT的栅极,控制逆变电路正确工作,同时,根据电压和电流的反馈值调整SPWM脉冲信号的脉宽以保持输出信号幅度的稳定。为了保证系统安全可靠地运行,充分发挥单片机的强大控制功能,由主控制电路对系统的关键器件和关键参数,例如过压、欠压、过流、过载、输出短路、过热等进行实时监控,实现对系统工作状态的自诊断并对故障进行相应的声光报警。由于采用了16位单片机作为系统的控制核心,控制快速准确,使系统具有响应快,运行稳定、可靠的特点。

1.3 驱动电路

IGBT的栅极驱动电压可由不同的驱动电路提供,选择驱动电路时,应考虑驱动电路的电源要求,器件关断偏置的要求,栅极电荷的要求,耐固性要求,保护功能等因素。驱动电路的性能不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全,而且影响到整个系统的性能和安全。

德国西门康(SEMIKRON)公司生产的SKM系列IGBT功率模块,在芯片制造工艺、内部布局、基板选择等方面有独到之处,不必使用RCD吸收电路,SOA(安全工作区)曲线为矩形,不必负压关断,并联时能自动均流,短路时电流自动抑制,开关损耗不随温度正比增加,正温度特性曲线。鉴于此,选用西门康公司的SKM系列IGBT作为逆变电源的主功率开关器件。为充分利用IGBT的优良性能,保证系统能安全可靠地工作,驱动电路也选用西门康公司的SKHI系列驱动器。该系列驱动器只需一个非隔离的+15V电源;具有高dv/dt容量;保护功能完善;故障记忆,通过ERROR信号告知控制系统;上下互锁,避免同一桥臂两只IGBT同时开通;栅极电阻外部可调,使得使用不同功率容量的IGBT时都能工作于较高的开关频率,并得到高的转换效率。

作为电压型控制的IGBT不需要栅极驱动电流,但由于栅极输入端有一个大电容,使在驱动时形成一很窄的脉冲栅极驱动电流,且IGBT容量越大,该脉冲电流的峰值越大,例如,200A/1200V的IGBT的开通电流的脉冲峰值约达到1.5A。SKHI驱动器既能承受这种高峰值栅极电流又不降低VGE。为?高开通和关断速度,减少驱动器损耗,SKHI驱动器的输出级采用MOSFET对管以减少连接线路上的电阻。影响开关速度的另一个重要因素是栅极电阻RG,减小RG可以降低IGBT的开关损耗,但由于杂散电感的存在,使得IGBT关断时的集射极间的尖峰电压增大,SKHI驱动器将RG分成RGON和RGOFF(见图3),这样两个参数可分别控制,并可根据IGBT容量的不同,分别调整RGON和RGOFF,以获得最佳驱动效果。

过流保护是驱动电路具有的重要功能之一,SKHI采用监测IGBT集射极电压VCE来测控过流,原理图见图4。VCE测控电路同时监视栅极输入信号和集射极电压,当输入信号为高电位,并且在3~5μs后,VCE较正常饱和值(3.5~5.5V)高,则认为过流,关断脉冲信号,给出故障报警信号。这是一种较先进的过流测控方式。

SKHI驱动器是针对IGBT和MOS特性而设计的,是性能较为完善的一种驱动器。

1.4 辅助控制电路

辅助控制电路的作用是根据主控电路发出的控制信号,依次控制接触器K2,K3,K4的吸合及分断,保证主电路依正确的顺序加电,在保护电路工作时切断主电路的供电电源。辅助控制电路还为风扇提供电源。

1.5 显示及按键控制电路

显示及按键控制电路的功能是在主控电路的控制下,显示系统的工作状态,如电压、电流、频率等,并可通过按键改变输出电压的幅度(改变范围为额定输出电压的±10%)和输出电压的频率(400Hz±30Hz)。当系统出现故障时对故障进行显示和报警,报警信号包括过流、过载、短路、过热、输入过压欠压、驱动报警等。

1.6 软件控制

在算法上采用SPWMT和PID算法以及模糊控制逻辑、动态查表法,使系统响应更快,保护功能更强,可靠性大大提高。

1.7 其他

采用关键器件降额设计,软启动设计、自动保护设计等措施,保证电路在环境应力较大的情况下能可靠工作;采用可靠性热设计、三防处理、结构件加固处理等办法,保证产品在恶劣的气候应力和机械应力条件下的可靠性;对于舰载装备配套的本产品,采用复合型减震器和导向件结构,保证产品的抗冲击、抗振动性能。强化产品的绝缘设计,确保产品的安全性。

2 实用效果

根据上述正弦波中频逆变电源方案,已成功开发出系列正弦波中频逆变电源,经实测在额定负载时输出正弦波的失真度<3%,MTBF>20000h,各项技术指标均达到设计要求。通过了海装电子部组织的专家鉴定,还通过了中国电子产品可靠性与环境试验研究所质量检测中心(即信息产为部五所)的可靠性和电磁兼容性鉴定、环境试验检测。电源经海军多个部队和基地、军工单位、研究所的实际使用,取得了令人满意的效果。

3 结语

1)大功率IGBT因具有工作频率较高,驱动电路功率小,工作损耗小等优点,加之有专用的驱动电路可使驱动电路的设计简化,可靠性提高,因此,可方便地用于变频电源中。

2)在正弦波逆变电源系统中应用16位单片机87C196MC来产生系统所需的SPWM脉冲信号,是非常方便实用的,可使硬件电路大大简化,可靠性提高,同时可利用单片机的强大控制功能,实时地对系统的关键器件和关键参数进行监控,实现对系统工作状态的自诊断。

3)大功率IGBT逆变器的保护电路设计对其可靠工作具有非常重要的作用,应充分重视。IGBT模块的吸收电容C3及C4须选用低感电容,如聚丙烯电容或类似的低介电损耗膜的电容,安装时应尽可能地靠近模块。

4)正弦波逆变电源输出正弦波的失真度与输出滤波器的参数有密切关系,设计中应合理地选取滤波器的截止频率,并照顾逆变电源最高输出频率的需要,滤波电感及电容应满足

式中:fc为滤波器的截止频率,取值为最高输出频率的5~10倍。

igbt驱动电路篇5

引言

由于电力变换装置均工作在大功率环境中,过流和短路是不可避免的。为了确保电力变换装置安全可靠地工作,有效的电流保护设计是必须的。而过流相对于短路对变换装置的危害要小,再加上各种资料对过流保护介绍得比较多,故在此主要讨论电力变换装置中的短路保护的设计。

现代电力变换装置均采用大功率半导体开关器件,其所能承受的电流过载能力相对于旋转变流装置要低得多,如IGBT一般只能承受几十个μs甚至几个μs的过载电流,一旦短路发生就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件,切断短路电流,使开关器件不致于因过流而损坏。但是,在短路情况下迅速关断开关器件,将导致负载电流下降过快而产生过大的di/dt,由于引线电感和漏感的存在,过大的di/dt将产生很高的过电压,而使开关器件面临过压击穿的危险。对于IGBT,过高的电压又可能导致器件内部产生擎住效应失控而损坏器件。因此,必须综合考虑和设计电力变换装置短路保护,以确保电流保护的有效性。

1 短路保护电路的设计

由于IGBT综合了场效应管输入阻抗高,驱动功率小和双极晶体管电压容量大,电流密度高的优点,而成为了现代电力变换装置中使用最广泛的一种开关器件,下面以其为保护对象进行讨论。

1.1 过流信息检测

为了实现IGBT的短路保?,必须进行过流检测。适用于过流检测方法,通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic,然后与设定的阈值进行比较,用比较器的输出去控制驱动信号的关断;也可以检测过流时IGBT的集射极电压Vce,因为管压降含有短路电流的信息,过流时Vce将增大,且基本上与Ic呈线性关系,故检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较,用比较器的输出控制驱动电路的关断,也可完成过流保护。

1.2 降栅压软关断半导体开关器件

在短路电流出现时,为了避免关断IGBT时di/dt过大形成过电压,导致IGBT失控或过压损坏,通常采用降栅压的软关断综合保护技术。即在检测到过流信号后首先是进入降栅压保护,以降低故障电流的幅值,延长IGBT承受过载电流的时间。在降栅压动作后,设定一个固定延迟时间以判断故障电流的真实性,如在延迟时间内故障消失则栅压自动恢复;如故障仍然存在则执行软关断,使栅压降至0V以下,最终关断IGBT。采用降栅压软关断综合保护技术可使故障电流的幅值和下降率以及过电压都受到限制,使IGBT的运行轨迹处于安全区内。

图2

    在设计降栅压软关断保护电路时,要正确选择降栅压的幅度和速度。如果降栅压幅度较大(如7.5V以上),则降栅压的速度就不要太快,一般采用2μs左右的下降时间。由于降栅压幅度大,集电极电流已经较小,则封锁栅极可快些,不必采用软关断。如果降栅压幅度较小(比如5V以下),则降栅速度可快些,而封锁栅压的速度必须慢,即采用软关断,以避免产生过高的过电压。

1.3 降频“打嗝”的保护

在大功率负载中为了使电源在短时间的短路故障状态下不中断工作,又能避免连续进行短路保护产生热积累而损坏IGBT,可采用使工作频率降低的方法形成间歇“打嗝”的保护,待故障消除后又恢复正常工作。降频“打嗝”的保护并非每个保护电路都必需。

2 几种实用的IGBT短路保护电路及工作原理

2.1 利用短路时Vce增大实现的短路保护电路

图1是利用IGBT短路时Vce增大的原理实现保护的电路,专用于EXB841驱动电路。如果发生短路,含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的IGBT集电极电压监视脚6上,而是快速关断快速恢复二极管VD1,使比较器IC1(LM339)的V+电压大于V-电压,比较器输出高电平,由VD2送至EXB841的脚6,启动EXB841内部电路中的降栅压及软关断电路,低速切断电路慢速关断IGBT,既避免了集电极电流尖峰损坏IGBT,又完成了IGBT短路保护。该电路的特点是,消除了由VD1正向压降随电流不同而引起关断速度不同的差异,提高了电流检测的准确性,同时,由于直接利用EXB841内部电路中的降栅压及软关断功能,整体电路简单可靠。

2.2 利用电流互感器实现的短路保护电路

图2是利用电流互感器实现过流检测的IGBT短路保护电路。其中电流互感器TA的初级串接在IGBT的集电极电路中,次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端,与反相端的基准电压Vref进行比较,IC1输出VB至具有正反馈的比较器IC2的同相输入端C点,由IC2的输出经R8接至EXB841的脚6上。不过流时,IC1的VA小于Vref,输出VB为低电平约0.2V,经R1送到IC2比较器的同相端C形成VC,因此时VC小于Vref,IC2输出为低电平,EXB841正常工作。当出现过流时,电流互感器检测到的整流电压将升高,VA大于Vref,VB为高电平,由R1给C3充电,经一定的延时后,VC将大于Vref,IC2输出高电平,EXB841保护电路工作,使IGBT降栅压软关断。IGBT关闭后,电流互感器初级无电流流过,使VA又小于Vref,VB又回到0.2V左右,C3经R1放电,当VC小于Vref时,IC2输出低电平,电路重新进入工作状态。如果过流继续存在,保护电路又恢复到原来的限流保护工作状态,反复循环使EXB841的输出驱动波形处于间隔输出状态,使IGBT输出电流有效值减小,达到保护IGBT的目的。电位器W1用于调整IC1比较器过流动作阈值。电容器C3可经D5和R5快速充电,经R1慢速放电,只要合理地选择R1,R5和C3的参数,可实现EXB841比较快关闭IGBT而较慢恢复IGBT。正反馈电阻R7保证IC2比较器具有迟滞特性,和R1和C3充放电电路一起,保证IC2输出不致于在高、低电平之间频繁变化,使IGBT频繁开通、关断而损坏,提高了电路的可靠性。

图3

    2.3 利用短路Vce和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路

图3是利用IGBT过流集电极电压检测和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路。当负载短路(或IGBT因其它故障过流)时,IGBT的Vce将增大,VD1关断,导致由R1提供的电流经R2和R3分压器提供的电压,使V3导通,从而使IGBT栅极电压由VD3所限制而降压,限制了IGBT峰值电流的幅度,该电压同时经R5及C3延迟使V2导通,送去软关断信号。为了提高短路保护电路的可靠性,图3电路还增加了短路电路检?保护,它是由电流互感器TA,整流桥U和IC1等组成,短路发生时经电流传感器TA检测出短路电流信号,使比较器IC1输出高电平,该高电平一方面使V3管导通,完成IGBT的降栅压保护,另一方面由V2导通进行IGBT软关断保护。

2.4 具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路

图4是一具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路。

正常工作时,驱动输入信号Vi为低电平,光耦IC4不导通,V1及V3导通,输出负驱动电压VE,IGBT(V4)关断;当驱动输入信号Vi为高电平时,光耦IC4导通,V1截止而V2导通,输出正驱动电压VC1,功率开关管IGBT导通。发生短路故障时,IGBT集电极电压Vce增大,由于VD5截止导致比较器IC1输出高电平,V5导通,由VD2限压实现对V2降栅压,从而实现了IGBT软降栅压保护,V2降栅压幅度由稳压管VD2决定,软降栅压时间由R6和C1决定约为2μs。IC1输出的高电平同时经R7对C2进行充电延时约5~15μs后,C2上电压达到稳压管VD4的击穿电压,V6导通。V6导通后,一方面使光耦IC5导通启动降频过流保护电路工作,另一方面由R9和C3形成约3μs的软关断栅压,完成对IGBT软关断栅压保护。

图4

    V5导通时,V7经C4和R10电路形成的基极电流导通约20μs,在降栅压保护后将输入驱动信号闭锁一段时间,不再响应输入端的关断信号,以避免在故障状态下形成硬关断过电压,使驱动电路在故障存在的情况下能执行一个完整的降栅压和软关断保护过程。

降频过流保护电路主要由时基555电路(IC2),光耦IC5,V8和V9三极管等组成。V6导通时,光耦IC5导通,时基电路IC2的触发脚2获得负触发信号,555脚3输出高电平,V9导通,IC3与门被封锁,封锁时间由定时元件R15和C5决定(约1.2s),使工作频率降至1Hz以下,驱动器的输出信号将工作在所谓的“打嗝”状态,避免了发生短路故障后仍工作在原来的频率下,而频繁进行短路保护导致热积累而损坏IGBT。只要故障消失,电路又能恢复到正常工作状态。

2.5具有检测高频交流电流短路的保护电路

图5

    该电路如图5所示。R4为输出电流取样电阻,电路正常工作时,IC1的输出电压UA不足以使D3(9.1V)或D4(9.1V)击穿导通,V1和V2均不导通,IC2不工作,V3导通输出低电平,EXB841驱动电路正常工作。如果电路有过流现象出现时,假定发生在正半周,IC1输出的UA为负电压,使得D3击穿,D4导通,V2导通,电流经D2,R8,V2,R1,使光耦IC2导通,输出过流信号,V3截止输出高电平。若负半周过流发生,IC1输出UA为正电压,使D4击穿,D3导通,V1导通,电流经R7,V1,R8和D1,使IC2通电工作,V3截止输出高电平。当V3截止输出高电平时,启动EXB841内部短路降栅压软关断电路工作,完成对IGBT的保护。这样,只要电路有过流现象发生,保护电路就会立即动作,对电路进行有效地保护,防止损坏IGBT。该电路对低频交流电路和直流电路短路电流保护同样有效。由于PN结稳压值随温度升高而升高,而PN结正向导通值随温度升高而降低,故D3及D4反向串联具有良好温度补偿作用,使电路热稳定性相当好。

3 结语

igbt驱动电路篇6

关键词: IGBT;电机车;应用

中图分类号U46 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2011)53-0100-02

1工作原理

1.1主回路工作原理

主回路由LC滤波电路,直流电动机M1、M2及其控制快关,续流二极管VD及其RDCD阻容保护,绝缘栅双极三极管IGBT及其串并联吸收网络等组成。LK、VDK、RK、CK为串联吸收网络,用以限制IGBT开通时电流的上升率。VDS、CS、RS为并联吸收网络,用以限制IGBT关断时的电压上升率。S1、S2、S3、R为能耗制动触点和电阻,S4为用于防止能耗制动电流过大和换向制动。原理图如下:

1)准备

将受电弓与架空线搭接,将调速手柄扳至“停止”位、换向手柄扳至所需的运行方向(如“向前”位),合上自动空气开关S,接通主电源。

2)启动

调速手柄顺时针扳至“启动”位,S1、S4闭合,电源经L0、C0滤波后加到主回路上,开关电源工作,给散热风扇和控制回路供电。控制回路开始工作,送出受调制的脉冲电压信号,以驱动IGBT的基线接到一个正15V电压时,IGBT迅速饱和导通,电流由架线经S1-L0-H-S4-M2-C2-1-C2-2-Lk-IGBT-地,电动机工作,机车运行。当IGBT的基极接到一个负5V电压时,IGBT迅速管断,电机经续流二极管VD续流,保证电机连续工作。CD、RD与VD并联,用于降低VD的电流和电压上升率,保护续流二极管VD。

3)调速

调速手柄继续顺时针扳至“调速”位,增大IGBT驱动信号正、负电压的时间间隔(即增大脉宽),而频率(周期)不变,就可增大IGBT导通时间,使电机端电压平均值增大,实现加速;反之,减小脉宽,可实现减速。

4)运行

当调速手柄继续转动达到“全速”位置时,S2闭合,斩波器被短接,电机得到全电压而全速运行。如果S2因故没有闭合,当脉宽增至90%以上时,脉宽调制器送出一个恒定的正的驱动信号,IGBT处于持续导通状态,机车自动转为全速运行。

5)制动

遇到紧急情况需要制动时,将调速手柄逆时针扳至“制动”位,S2断开直流电源,S3闭合串入制动电阻R,并将两电动机磁力绕组与电枢绕组交叉连接,实现能耗制动。

6)换向

在机车停止时,先把调速手柄打到“换向”(“制动”)位置,然后打换向手柄至相反位置(如“向后”位)。电枢与激磁绕组的接头对调,M1由S1-1与C2-1连接,从而实现换向。

1.2控制回路工作原理

控制回路由控制电源、脉宽调制电路、驱动电路、保护电路等组成。

1)控制电源采用开关电源,输出15V和20V两路直流电源。其中15V给控制部分的脉宽调制电路供电,此路电源不悬浮;20V给控制部分的驱动电路及散热风扇供电,这一路是悬浮的,必须与架线电压良好隔离,不能接地。本开关电源只为控制回路而设,不许连接机车上的照明灯和喇叭;

2)脉宽调制电路用于产生脉冲信号,通过调速手柄改变RW的阻值即可改变脉宽。脉宽可在10%~90%的范围内调节,使电机端电压平均值在10%~90%的范围内连续调节;

3)驱动电路用于放大脉冲信号,并驱动IGBT工作;

4)保护电路主要有软启动保护、限流保护、退饱和保护、过电压和欠压保护以及温度保护。(1)软启动保护用于防止启动电流过大损坏电动机。电动机电流由霍尔传感器H进行检测后送给保护电路,去控制脉宽调制电流。若启动时电机电流过大,保护电路控制脉宽调制电路减小脉宽,从而降低电动机的电压和电流。随着机车速度的升高,电流逐渐下降,脉宽才可能逐渐加大。在调速状态,不论调速手柄打得多快,脉宽都将缓慢增加超过规定值,以保证启动平稳、调速均匀,实现软启动;(2)若电动机电流瞬时超过规定值,限流保护电路使脉宽调制器关闭,然后自行软启动。此过程可能重复出现,知道电流达到规定值为止;(3)因特殊原因,如电机短路、续流二极管击穿等,使IGBT电流过大、IGBT工作在饱和状态时,退饱和保护电路将使驱动电路和脉宽调制器迅速关闭,整机停止工作。若遇到这种情况,必须切断电源,查找原因。故障不排除,不可重新启动,以免损坏IGBT管;(4)当架线电压高于规定值或开关电源输出电压偏低时,脉宽调制器将关闭;(5)若风扇损坏及串、并联吸收电路损坏,使IGBT散热器温度高于某一规定值(本机为75℃),温度继电器触点KT断开,切断RW,使脉宽调制电路关闭,整机停止工作。

2 安装、试车与维护

2.1安装

安装前应确认电机车两个电极绝缘良好、运行正常,控制器安装在司机室,主体箱安装在后面原调速电阻的位置,能耗制动电阻可安装在适当位置。按电路图接好各部分之间的连接线。

2.2试车

首先检查开关电源、控制板是否正常;将主回路电动机负载断开(断开续流二极管阳极的电机接线即可),送上架线电源,闭合S1,此时风扇应转动。用万用表测量IGBT基极对发射极间电压Ube,转动调速手柄从启动到全速位置,Ube若在-3V~+13V之间变化,说明驱动输出正常,开关电源正常。在上述正常情况下,将VD阳极与IGBT集电极C断开悬空,IGBT的Ube电压为-5V。调节调速手柄,-5V电压不变,说明控制板退保和保护功能正常。

上述检查均正常后,则可接上电机试车。试验时既可将机车吊起,两个电机一块试,也可断开控制器下面的一个电机接线,两个及机车分别试。观察两电机转向是否正确,若转向不对,可对换电机定子或转子两端的接线位置再试。正确无误后,接好两个电机的接线进行无能耗制动,在确认两个电机运转正常及能耗制动电阻完好的情况下,将某一电机的转子和定子接线位置同时对调后再试。

2.3维护

该装置维护时须先断开电源,把电容C0的电放完后方可进行。每周清理煤尘一次,并作出如下检查:

1)S1~S2和各换向触头是否完好;

2)各紧固件尤其是接线螺钉是否有松动;

3)串、并联吸收电路各元件是否有损坏。其中个别保护元件损坏,机车运行情况无明显变化,不易发现,若继续长时间运行,会最终导致IGBT损坏。所以,一定要注意经常检查。

参考文献

[1]任连贵.电机车司机.中国矿业大学出版社,2005,6.

igbt驱动电路篇7

关键词:绝缘栅双极型晶体管;驱动电路;可靠性

中图分类号:TN91 文献标识码:A

0.引言

IGBT是一种MOSFET与双极晶体管复合的器件,它不仅具有MOSFET易于驱动,控制简单、开关频率高等优点,又具有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小等显著优点。IGBT应用领域广泛,堪称现代功率变流装置的“心脏”和绿色高端产业的“核心”。从传统的电力、机械、矿冶,到轨道交通、航空航天、新能源装备以及特种设备等战略性新兴产业,都有它的身影。因此,从国家安全长远考虑,IGBT不能完全依赖进口。

1. IGBT应用需要分析的主要特性

1.1 VCE-IC特性

VCE-IC特性(一般称为输出特性)的VGE依存性。因为该特性表示IGBT在导通状态下集电极-发射极电压(VCE)和集电极电流(IC)的关系,所以形成了在导通状态下IGBT中发生的损耗。然而,虽然VCE越低,产生的损耗就越小,但是由于该特性会随着结温(Tj)和VGE的变化而变化;一般情况下,推荐在VGE=15V时,UPS的最大输出电流小于等于元件的标称额定电流值的情况下使用。

1.2 开关特性

开关特性大致可分为开关时间和开关损耗两方面。

开关时间随着集电极电流(Ic)、结温(Tj)、门极电阻(Rg)的变化而变化,在UPS应用时要充分考虑。开关损耗(Eon、Eoff、Err)是在IGBT开关时(开通、关断时)发生的。此特性随结温(Tj)、驱动电阻(Rg)的变化而变化。其别是Rg的选定非常重要,若过大不仅会使开关损耗变大,更容易引起前述的由于死区时间不足而产生的桥臂直通短路现象。

1.3 结电容与驱动信号特性

门极充电电荷(Qg)的特性表示了集电极-发射极间的电压(VCE)和门极-发射极间的电压(VGE)相对于门极充电电荷(Qg)的变化。

2.国外和国产IGBT在UPS的应用情况对比

2.1 UPS常用拓扑结构(图1)

2.2 效率对比测试

依据YD/T 1095-2008《通信用不间断电源(UPS)》标准,UPS整机效率与IGBT的性能有关;把各品牌IGBT分别装进UPS通电带载运行,按标准要求分别进行市电输入电压AC Line高中低的效率测试。实验表明:在同样的驱动电路中,使用国产的IGBT效率会稍微高0.02%~0.34%。

2.3 反峰对比测试

把各品牌IGBT分别装进UPS通电带载运行,用示波器测量IGBT的反峰电压Vce,以判断反峰是否超过IGBT的安全工作电压600VDC;

测试条件:UPS接阻性AC Load 100%运行,AC Line输入电压Vin=230Vac条件下;

通过测试对比,IGBT的反峰电压Vce为393~414VDC,均不超过IGBT的安全工作电压600VDC,满足UPS的应用要求,如图2所示。

2.4 温升对比测试

投产一批UPS,使用国产IGBT进行高温长时间老化验证;事先在IGBT安装的散热器位置、散热器上的温度传感器(即温控器),以及UPS机器内部环境温度放置温度探头,进行温度记录监控,如表1所示。

从温度记录数据上可以看出,等到机器厣稳定时,散热器的温度约为53℃~54℃;折算到IGBT结温,没有超过结温125℃,结温余量足够安全长期可靠运行。

2.5 可靠性验证

依据国标GB 5080.7-86截尾序贯试验方法,产品寿命试验必须达到8000小时的要求。通过小批量使用国产IGBT100只,共投产25台6kVA UPS,在环境温度高温40度、UPS接容性6000VA负载下连续工作运行,进行可靠性验证,累计寿命试验时间10800小时;符合可靠性验证标准的要求。

结论

文章通过对IGBT的VCE-IC特性,开关特性,…等技术特性的分析,对进口和国产IGBT的单体测试和UPS整机应用测试的数据对比,以及小批量投产UPS使用国产IGBT可靠性验证,(相应的文字使文章所提及的IGBT两个关键技术对实际应用的具有一定效果(可以适当升华);从而证明你提及的两个相关技术的重要性)这些使用国产IGBT的UPS,经过2~3年的市场应用跟踪,根据市场故障数据统计分析,市场失效率为0.1%,与国外品牌的0.09%接近。已可以证明国产IGBT可以替代国外IGBT;证明前期的特性分析和可靠性验证到位的情况下,国产IGBT能完全替代进口品牌,可以作为今后批量使用提供重要的工程应用经验。

批量使用国产IGBT时,需要注意国内厂家的晶圆大小、耐冲击能力和漏电流参数批量一致性管控。

参考文献

[1]潘江洪,苏建徽,杜雪芳.IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究[J].电源技术应用,2005(11):51-54.

igbt驱动电路篇8

【关键词】逆变式焊接电源;IGBT模块的应用

一、概述

逆变式弧焊电源由上世纪80年代进入我国弧焊电源市场和弧焊电源设计领域,经历了大功率可关断晶闸管(GTO)式、双极晶体管式(GTR)、场效应管(MOSFET)式、功率绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)式。目前,国外、国内发展是普及使用IGBT模块,取代了IGBT单管。逆变弧焊电源符合节能、高效、绿色环保的工业设计潮流和我国的焊接行业发展方向。与普通弧焊电源相比,逆变式弧焊电源最显著特点是工作频率高,节省大量的钢材、铜材,具体特点:

1.体积小、重量轻

2.高效节能

3.动特性好、控制灵活

逆变式弧焊电源的外特性、动特性等性能主要有电子控制电路进行调节。电子控制电路的变化和调整灵活、方便,易于在一台电源上实现多种特性的输出,甚至在焊接过程中也可以根据要求切换不同特性。所以逆变弧焊电源产品的研制,可以在ZX7、NBC、MZ、LGK四个系列中同步进行。

4.元器件特性要求高,电路复杂

逆变式弧焊电源是典型的电力电子装置,因此电路复杂。

普通弧焊电源工作频率低,一般工作波形为正弦波,du/dt、di/dt较小。而逆变电源由于工作频率高,内部电流换向快,变化剧烈,对du/dt、di/dt等动态参数的影响十分明显。在这样的工作条件下,逆变电源的电子功率开关等元器件被击穿、烧穿的可能性大大增加。为了保证逆变式弧焊电源的可靠性、稳定性,不仅需要高质量、高性能的元器件,而且需要设计、应用许多保护电路。这也是逆变式弧焊电源控制电路复杂的主要原因之一。

二、设计任务和要求

IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件,综合了GTR和MOSFET的优点,因而具有良好的特性,IGBT单管在使用时,需要四只电子功率开关,驱动电路较为复杂,抗不平衡能力较差,所以还要附带包括三方面的电路:过电流保护、过电压保护、热保护。制造成本高和稳定性差。上世纪90年代开始,IGBT模块开始取代了单管,它的电路结构分为一个单元、两个单元和六个单元。每个单元都包括了IGBT的管芯和高速恢复二极管芯片及加速二极管芯片(或者二极管只有一只高速恢复,即反向并联的芯片),封装在一起以利于进一步减少体积和提高工作的可靠性,绝缘性能好,模块的散热片上通过靠近芯片的热敏电阻来测量温度。

设计的四种的逆变式弧焊电源,采用的电子功率开关器件均为两个单元的IGBT模块,内部已经包含了2组IGBT,其逆变电路是三相全桥式,分别要用在ZX7系列手工直流焊机、NBC系列气体保护焊机、MZ系列埋弧自动焊机、LGK系列等离子切割机。

下图:逆变弧焊电源的基本电路方框图。

基本电路方框表示:三相380V交流电经全桥直流滤波后,送到一对全桥式逆变开关IGBT模块(每个模块含2个IGBT开关管),逆变产生高频(20kHz)交流电压经次级带有中间抽头的功率高频变压器降压,以及直流滤波后送到电弧负载。焊接电压、电流的调节和外特性形状控制,采用脉宽调制(PWM),给定电路,电流反馈信号由分流器(FL)获得。

三、设计方案

㈠IBGT模块选用

目前市场上有西门康、三菱、英飞凌、富士等多个品牌,性能和价格相差不大。按照IGBT模块额定电流>焊机负载电流的原则选择,然后具体看模块的⑴静态电气参数;⑵开关时间;⑶开关损耗;⑷热阻。也就是极限参数和主要特性参数两大类。因此,从生产的标准化的因素考虑,这四个系列焊机都是选用英飞凌的IGBT模块。

㈡全桥式逆变电路

两个IGBT模块分别有相位差180°的驱动脉冲激励而交替导通,产生交流矩形波作用于变压器T上,矩形波幅值为直流电压Ud。两个IGBT模块最大正向电压为Ud。交流矩形波经变压器T降低,快速二极管VD全波导通,生产电抗器滤波,得到比较稳定的直流输出。ZX7、NBC、LGK三个系列的逆变电路都是同类型的。

MZ系列是埋弧焊机,所需要的输出电流在800A以上,按照目前IBGT模块的价格和整机成本、工艺,选用并联的全桥逆变电路,就可以实现。

㈢变压器

设计的四个系列的逆变式弧焊电源的高频变压器都采用非晶态磁性材料的环形磁心,它们的磁损仅为硅钢片叠片铁心的1/3,而且体积很小。

常用的变压器计算公式U1=4.44fNBS是在正弦波交流电得到的。逆变式高频变压器变换的是矩形波,所以公式不再适用。

必须根据电磁定律重新推导。

在矩形波中,磁通变化范围为ΔΦ=2Φ=2BS,而且是线性变化。根据电磁定律,则

U=NdΦ/dt=NΔΦ/Δt=2N BS/tON(tON—导通时间) (1)

所以N=U·tON/2BS (2)

若tON=T/2(T为逆变工作周期),即为无死区的交流方波,则

U=4fNBS (3)

根据该公式,设计时根据每个系列不同输出电流、电压选择铁心的截面积和线圈匝数。

另外,必须考虑集肤效应问题。由于变压器是在高频状态下工作,随着电流频率的提高,集肤效应使穿过导线的穿透深度不同,导致电阻增大,电感减小,所以不能像普通焊接变压器那样使用截面积大的导线,必须选定多股漆包线、带状或绞合导线绕制线圈。设计四个系列的高频变压器的方案是:根据具体的焊接电流大小、允许温升的条件下选择相应的环形磁心和多股漆包线,使焊机总的结构紧凑合理牢靠。

㈣输入输出电路

⑴输入整流滤波电路

采用三相式直流模块,由于输入电压较高,选用直流模块耐压1200V,如IR70MT120K、6R175G-120等。

⑵输入滤波器

将直流电路所得的脉动直流电进行滤波,以提供给逆变电路。采用2只电解电容,要求其耐压和需用脉动电流足够、瞬时冲击电流机承受时间足够、损耗小、漏电流小,如2200μF~2700μF/450V。

⑶输出整流滤波电路

采用快恢复二极管完成输出整流;采用电感L作为滤波器,以保证最小电流连续,满足直流电弧焊接的要求。由于逆变式弧焊电源输出整流得到的电流脉动频率高,滤波电感值较小,体积也不大,考虑安装工艺,ZX7、NBC、MZ三个系列的磁性材料都是采用硅钢片矩形铁心,铝扁线立绕。而LGK系列的电感值较大,考虑安装工艺,磁性材料采用2个C型硅钢片铁心,双玻璃丝包铝扁线筒绕,分置两边。

㈤PWM控制

逆变电源中采用PWM(pulse width modify)控制,即脉冲宽度控制方式-定频率调脉宽,其控制方式是:在频率不变的条件下,调节脉冲宽度来调节逆变器的输出能量。

采用PWM集成芯片代替分立元件,减少了元器件数个联结点,提高了电路的可靠性。四个系列都采用SG3525集成芯片作PWM控制。

㈥驱动电路

驱动电路处于控制电路(弱电电路)和主电路(强电电路)之间,设计驱动电路是重要环节。理想的IGBT驱动电路应具有八个基本要求:(1)能提供适当的正、反向门极电压;(2)信号应有足够的功率;(3)信号具有一定的前沿陡度和宽度;(4)驱动电路必须与主电路隔离;(5)输出与输入必须有很好的跟随性输入、输出信号传输无延时,一方面减小系统的响应滞后,另一方面能提高系统保护的快速性;(6)驱动电路简单、成本低;(7)驱动电路自身应有一定的保护功能;(8)防止同一桥臂上的IGBT误导通。

教科书在理论上介绍了IGBT驱动电路采用了EXB841集成电路模块,内部具备放大部分、基准电压部分、过电流保护部分。但全桥逆变电路必须给每个IGBT模块配备2个驱动电路和独立电源,就是说要配置4个EXB841集成电路模块及4套独立电源,工艺复杂,制造成本高,且整机布局复杂,所以实际生产中,采用了脉冲变压器的方案,同样具备以上八个要求。在成本方面, EXB841的单价是¥65.00,每台焊机需要4片,还要加上4套独立供给电源的成本;而采用脉冲变压器就大大降低了成本和提高可靠性。采用2个脉冲变压器的总成本仅是采用EXB841集成电路模块方案的1/20,批量生产极易控制质量。

㈦特性控制电路

ZX7、MZ 、LGK系列均为恒流特性;NBC系列恒压特性。

四个系列的电路结构前面部分一致,但输出部分和焊接电流给定有所不同。

不同输出特性:

ZX7系列:控制电路以SG3525脉宽调制为核心,通过电流、电压检测电路、反馈控制电路与脉冲触发电路对电源的特性进行控制,形成下降特性的手工焊接电流。

NBC系列:控制电路包括引弧控制和平特性控制电路、峰值控制电路。连接送丝机构,弧焊电源进入恒流工作状态。

MZ系列:基本与ZX7系列一致,形成下降特性的手工焊接电流和碳刨电流,还具备送丝调速系统电路,连接自动焊接小车,可进行埋弧焊。

LGK系列:输出整流部分连接隔离变压器高压变压器起弧装置焊炬。而焊炬与送气管相连接,利用压缩空气作为工作气体,产生高温高速的等离子弧,进行各种金属材料的切割。

相同部分的电路结构图如下图。

㈧整机设计和生产流程

四、样机试验结果

ZX7-400、NBC-500、 MZ-1250:焊接容易起弧,焊弧稳定,焊接过程飞溅少、焊接特性好,焊缝质量符合工艺要求,电流调节范围达到设计要求。

LGK-100:切割时电流连续可调;内部过热、过流、过压、欠压及压缩空气不足等保护电路可靠性达到设计要求;切割的质量达到工艺要求。

五、设计小结

产品设计经标准化、模块化方向发展,降低开发成本、缩短产品开发与生产周期。

通过使用计算机辅助设计软件,直接将内部电路设计、整机工艺布局设计、外壳钣金加工各种数据、图纸分别传输到零部件加工PCB制版、钣金加工等环节,保证了设计的准确性和效率,便于今后技术管理和工艺改进。

参考文献

[1]王学奎等.《IGBT驱动模块的研究》.上海电力学院学报,2008.9

[2]张光先等.《逆变焊机原理与设计》.机械工业出版社,2008.5

[3]李芳等.《焊机中IGBT元件的选择与应用》.电焊机,2007.5

[4]胡绳荪主编.《现代弧焊电源及其控制》.机械工业出版社,2007.2

[5]刘长友.《IGBT逆变焊机常用PWM芯片介绍》.电焊机,2004.10

[6]倪倩,齐铂金.《软开关全桥PWM主电路拓扑结构发展现状》.焊接技术,2002.2

[7]屈稳太,褚静.《大功率IGBT高频逆变电焊机的研究》.电力电子技术,2001.2

[8]赵家瑞编著.《逆变焊接与切割电源》.机械工业出版社,1995.12

[9]黄石生.《逆变理论与弧焊逆变器》.机械工业出版社,1995.5

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