中心論題：
- 有源電力濾波器的IGBT的特性。
- 用于有源電力濾波器的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。
- IGBT及驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)方法。
解決方案：
- 柵極的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的寬度保證IGBT的完好。
- 柵-射極間并聯(lián)一電阻器防止器件誤導(dǎo)通。
- 在二極管與IGBT的集電極間反串一個(gè)穩(wěn)壓管保護(hù)IGBT。
- IGBT的集電極通態(tài)飽和壓降與集電極電流呈近似線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)自身過(guò)流保護(hù)。
前言
絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGBT)作為一種復(fù)合型器件，集成了MOSFET的電壓驅(qū)動(dòng)和高開(kāi)關(guān)頻率及功率管低損耗、大功率的特點(diǎn)，在電機(jī)控制、開(kāi)關(guān)電源、變流裝置及許多要求快速、低損耗的領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)應(yīng)用于有源電力濾波器的IGBT的特性及其專有EXB84l型驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，并提出一種具有完善保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路。
有源電力濾波器設(shè)計(jì)中應(yīng)用4個(gè)IGBT作為開(kāi)關(guān)，并用4個(gè)EXB84l組成驅(qū)動(dòng)電路，其原理如圖l所示。在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)補(bǔ)償電流與指令電流的關(guān)系，用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制PWM引腳的高低電平，并由驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的通斷。驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)對(duì)過(guò)流故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由DSP采取封鎖控制信號(hào)、停機(jī)等處理。
圖一：實(shí)驗(yàn)電路的原理圖
驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
a 驅(qū)動(dòng)電路電源
驅(qū)動(dòng)電路需要4路相互隔離的直流電源為4路IGBT驅(qū)動(dòng)電路供電，用220V/22V變壓器對(duì)4路交流電源分別整流，用電容器和78L24型電壓調(diào)整器穩(wěn)壓后輸出4路24V直流電壓，如圖2所示。
圖二：驅(qū)動(dòng)電路的電源設(shè)計(jì)
b 柵極電壓
IGBT通常采用柵極電壓驅(qū)動(dòng)，它對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路有著特殊的要求。柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升率和下降率要足夠大，導(dǎo)通時(shí)，前沿很陡的柵極電壓UGE可以使IGBT快速導(dǎo)通，并減小導(dǎo)通損耗，關(guān)斷時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)電路要給IGBT提供一個(gè)下降很陡的關(guān)斷電壓，并在柵極和發(fā)射極之間施加一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪蜇?fù)偏壓，以便使IGBT快速關(guān)斷，并減小關(guān)斷損耗。IGBT導(dǎo)通后，柵極的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的寬度，以保證IGBT在瞬時(shí)過(guò)載時(shí)未退出飽和區(qū)受到損壞。柵極驅(qū)動(dòng)電壓推薦值為15 V±1.5 V，這個(gè)電壓值使IGBT完全飽和導(dǎo)通，并使通態(tài)損耗減至最小。施加關(guān)斷負(fù)偏壓可以抑制C-E間出現(xiàn)du/dt時(shí)IGBT的誤導(dǎo)通，也可以減少關(guān)斷損耗。
c 門(mén)極電阻R1
門(mén)極電阻R1的選取對(duì)通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗及承受短路的能力都有不同程度的影響。當(dāng)門(mén)極電阻增大時(shí)，IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使導(dǎo)通和關(guān)斷損耗增加。當(dāng)門(mén)極電阻減小時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致di/dt增加，從而引起IGBT的誤導(dǎo)通。所以應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值以及開(kāi)關(guān)頻率的不同選擇R1的阻值。
Rl的值可以用下式計(jì)算：
IC為IGBT的集電極電流。如圖3所示，一般R1取十幾歐姆到幾十歐姆，R2為30 Ω。由于IGBT是壓控器件，當(dāng)集-射極間加高壓時(shí)，很容易受外界干擾，而使柵-射極間電壓超過(guò)一定值，引起器件誤導(dǎo)通，為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在柵-射極間并聯(lián)一電阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍，而且應(yīng)將它并聯(lián)在柵-射極最近處。電路中的電容器Cl和C2用來(lái)抑制因電源接線阻抗引起的供電電壓變化，而不是用于電源濾波。
d EXB841驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)
筆者在實(shí)驗(yàn)中采用的是EXB841型專用IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，其最高運(yùn)行頻率為40 kHz，輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部光耦隔離，光隔驅(qū)動(dòng)電流為10 mA，最大延時(shí)約為1 μs。工作溫度范圍為-10℃~+85℃，供電電壓為+20 V～+25 V。筆者對(duì)EXB841功能進(jìn)行了擴(kuò)展，圖3為驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)電路。
圖三：驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的電路
EXB841的6引腳連接的二極管可檢測(cè)IGBT的飽和壓降，用來(lái)完成過(guò)流保護(hù)功能，4引腳的過(guò)流保護(hù)信號(hào)延時(shí)10μs輸出。當(dāng)IGBT有過(guò)流時(shí)，若UCE大于7.5V，內(nèi)部過(guò)流保護(hù)電路開(kāi)始動(dòng)作，軟關(guān)斷IG-BT。通常在IGBT通過(guò)額定電流時(shí)UCE為3.5 V，當(dāng)UCE=7.5 V時(shí)，IGBT有過(guò)流，其值約為額定電流的3~5倍，但是由于沒(méi)有達(dá)到保護(hù)的閾值，保護(hù)電路不起作用。如果長(zhǎng)時(shí)間工作在這種狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞。為了可靠地保護(hù)IGBT，應(yīng)該降低過(guò)流保護(hù)閾值，可以在D1與IGBT的集電極間反串一個(gè)穩(wěn)壓管，或多串幾個(gè)與D1同規(guī)格的快速恢復(fù)二極管。如圖3通過(guò)反串一個(gè)IN4728型3.3 V穩(wěn)壓管使保護(hù)閾值降為4.2V。當(dāng)檢測(cè)到IGBT過(guò)流后，5引腳變?yōu)榈碗娖剑琓PL521型光耦輸出低電平，通過(guò)與門(mén)封鎖控制信號(hào)輸入，同時(shí)使4輸入與非門(mén)輸出低電平，觸發(fā)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，完成相應(yīng)的保護(hù)處理。
e 控制部分與驅(qū)動(dòng)部分的隔離
控制電路為弱電部分，極易受到干擾;驅(qū)動(dòng)電路直接與外電路連接，是一個(gè)較強(qiáng)的干擾源;為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備的電磁兼容，控制電路部分必須與驅(qū)動(dòng)部分隔離。為了避免公共電源對(duì)控制電路產(chǎn)生干擾，應(yīng)對(duì)控制電路及驅(qū)動(dòng)電路分別供電，EXB84l的電源電壓為+20 V，一般控制電路的供電電壓為5 V，因此，可以利用圖4所示的DC-DC微功率模塊進(jìn)行電源隔離，采A2405D型微功率模塊實(shí)現(xiàn)電源的隔離。
圖四：DC-DC微功率模塊
IGBT及驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)
a IGBT的過(guò)電壓保護(hù)
IGBT集-射極之間的瞬時(shí)過(guò)壓會(huì)對(duì)IGBT造成損壞，筆者采用箝位式吸收電路對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓進(jìn)行抑制。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，由于二極管的作用，電容器的電荷不會(huì)被放掉，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流仍流過(guò)IGBT，直到IGBT集-射極之間電壓達(dá)到電源電壓，續(xù)流二極管導(dǎo)通。應(yīng)用該電路，可以使雜散電感中的能量通過(guò)二極管轉(zhuǎn)儲(chǔ)到吸收電容器中，而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上，這樣就可以抑制IGBT集電極的尖峰電壓。吸收電容器的容值可以按公式(2)選取：
式中，L是引線電感;i是IGBT關(guān)斷時(shí)的電流;△U是吸收電容器上的電壓過(guò)沖。
當(dāng)吸收回路中的電容器電壓高于直流側(cè)電容器上的電壓時(shí)，通過(guò)電阻器向直流側(cè)電容器回送能量，一直到與直流側(cè)電容器的電壓相等。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，線路電感在集電極和發(fā)射極二端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，加上箝位式吸收電路以后，UCE被箝位在電容器電壓上，當(dāng)UCE高于電容器電壓時(shí)，線路電感的能量被轉(zhuǎn)移到吸收電容器上，當(dāng)尖峰電壓過(guò)去以后，吸收電容高于主電容的那部分電壓會(huì)由于能量回進(jìn)而達(dá)到與主電容相等。這樣就抑制了集-射極間的尖峰電壓。吸收電容越大，吸收效果越好。由于吸收電容器上過(guò)沖的能量大部分被送回到直流側(cè)電容，所以減小了電阻器的功耗。
b 消除IGBT集-柵極之間的du/dt
圖5所示為EXB841與IGBT柵-射極之間的連接電路原理圖。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路中的V4導(dǎo)通時(shí)，IGBT處于正常導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)V5導(dǎo)通時(shí)，IGBT柵-射極之間通過(guò)穩(wěn)壓管VZ2提供一個(gè)-5V電壓加在其兩端，使IGBT關(guān)斷，此時(shí)V5處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，穩(wěn)壓管VZ2處于反向偏置狀態(tài)。但由于集-柵極之間分布電容的影響，集-柵極之間的du/dt增大時(shí)，其通過(guò)分布電容形成的電流經(jīng)過(guò)，所以，要克服集-柵極之間的du/dt，確保穩(wěn)壓管不過(guò)壓，避免IGBT誤導(dǎo)通。克服du/dt的方法有二種：一是驅(qū)動(dòng)電路輸出與IGBT柵-射極之間的連線采用雙絞屏蔽電纜，屏蔽層接地，二是采用快速吸收電路吸收過(guò)電壓。
圖五：EXB841與IGBT柵-極之間的連接電路原理
c EXB841的過(guò)流保護(hù)功能擴(kuò)展
EXB841自身具有過(guò)流保護(hù)功能，其保護(hù)原理是利用IGBT的集電極通態(tài)飽和壓降與集電極電流呈近似線性關(guān)系。當(dāng)IGBT工作在正常狀態(tài)時(shí)，EXB841的6腳電位箝制在8 V，內(nèi)部保護(hù)不動(dòng)作，當(dāng)IGBT因承受過(guò)流而退出飽和狀態(tài)時(shí)，IGBT集-射極間的電壓上升很多，與EXB84l的6引腳相連的快速二極管截止，EXB841的6引腳被懸空，內(nèi)部保護(hù)動(dòng)作，輸出驅(qū)動(dòng)電壓慢慢下降，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。
在實(shí)際應(yīng)用中，僅靠EXB841的6引腳檢測(cè)IG-BT集電極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)并不足以有效地保護(hù)IGBT，因此有必要在主電路中加接霍爾電流傳感器來(lái)檢測(cè)電路中的過(guò)流，如圖6所示。過(guò)流發(fā)生后，檢測(cè)電路檢測(cè)到電流，延時(shí)8μs后信號(hào)還存在的話。封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)以關(guān)斷IGBT。在圖中，霍爾電流傳感器如果在主電路中檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)，其中的PNP三極管將導(dǎo)通，同時(shí)，NPN三極管被截止，EXB841的6腳被懸空;當(dāng)沒(méi)有過(guò)流信號(hào)時(shí)，PNP三極管不導(dǎo)通，NPN三極管導(dǎo)通，此時(shí)電路等效于擴(kuò)展前的電路。
圖六：過(guò)電流保護(hù)擴(kuò)展
結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)應(yīng)用以上電路對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。此驅(qū)動(dòng)電路是在典型驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善的，并且自行設(shè)計(jì)了隔離部分和過(guò)電流保護(hù)擴(kuò)展部分。此驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)用，對(duì)被驅(qū)動(dòng)的IGBT有完善的保護(hù)能力，輸出阻抗低，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。
應(yīng)用這種IGBT模塊的有源濾波器的樣機(jī)通過(guò)試驗(yàn)，證明硬件能夠協(xié)調(diào)配合，控制效果穩(wěn)定、精確，并且已經(jīng)批量制板。
