大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

鳳良燕，鄭崇偉

(1．溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325035;2．浙江埃菲生能源科技有限公司，浙江 溫州325035)

FENGLiangyan1，2，ZHENGChongwei1*

(1．College of Physics and Electronic Information Engineering，Wenzhou University，Wenzhou Zhejiang 325035，China;2．Zhejiang Eifesun Energy Technology CO．，LTD．，Wenzhou Zhejiang 325035，China)

光伏并網(wǎng)逆變器是將太陽能電池所輸出的直流電轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電，再輸入電網(wǎng)的設(shè)備，是并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心［1］。其逆變效率、可靠性、波形 THD［2］(諧波失真)以及故障處理能力將直接影響到整個(gè)并網(wǎng)型系統(tǒng)的性能。IGBT是一種電壓控制型的功率器件，它結(jié)合MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)管)和GTR(Giant Transistor)器件的優(yōu)良特性，是當(dāng)今電力電子高壓應(yīng)用領(lǐng)域中的理想器件。工程應(yīng)用表明，大容量IGBT器件的故障損壞率比小電流的IGBT器件高得多，而驅(qū)動(dòng)和隔離引起的IGBT的損毀大約在30%以上［3］。由于IGBT自身特性，在負(fù)載短路或者過流的情況下，可能導(dǎo)致器件超過熱極限、電流擎住效應(yīng)、關(guān)斷過電壓等造成IGBT不能正常工作［4］，因此對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路提出了很高的要求。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，包含了PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出處理電路，信號(hào)傳遞電路，驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)處理電路以及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原理，最后給出了設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際測(cè)量波形。

1 光伏并網(wǎng)逆變器

500 kW光伏逆變器采用三相橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［5］，經(jīng)三相濾波器和變壓器連接至電網(wǎng)。功率開關(guān)管選用英飛凌的FF1400R12IP4這款I(lǐng)GBT模塊，驅(qū)動(dòng)器是CONCEPT的2SP0320T2A0。每個(gè)橋臂采用兩模塊并聯(lián)以提高功率等級(jí)，一個(gè)模塊配有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，分別安裝在各個(gè)IGBT模塊上，如圖1所示。并聯(lián)的IGBT具有相同的脈沖波。

圖1 逆變器結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

逆變器采用SVPWM［6］調(diào)制算法，由 DSP主控制板發(fā)出PWM波脈沖信號(hào)給IGBT驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)隔離、放大，控制器件的導(dǎo)通、關(guān)斷。IGBT驅(qū)動(dòng)電路要具備以下的基本功能:提供可靠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，確保IGBT穩(wěn)定開通、關(guān)斷;輸入輸出傳輸延時(shí)盡量小;具有良好的電氣隔離功能，保證控制電路不受主功率電路的干擾與影響;發(fā)生故障時(shí)如短路過流等，驅(qū)動(dòng)電路可作出處理，可靠關(guān)斷IGBT，保護(hù)功率器件。

2 驅(qū)動(dòng)電路方框圖

圖2所示為驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的方案框圖，電路包含光纖發(fā)送電路、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路、驅(qū)動(dòng)器三部分。實(shí)際應(yīng)用中，IGBT與DSP控制板的安裝位置相距較遠(yuǎn)，為了增強(qiáng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，由DSP控制板發(fā)出的PWM波(電信號(hào))經(jīng)光纖發(fā)送電路轉(zhuǎn)換為光信號(hào)再經(jīng)光纖傳至驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與IGBT驅(qū)動(dòng)器電平匹配的電信號(hào)，送給IGBT的驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路要靠近IGBT驅(qū)動(dòng)器安裝，兩者通過屏蔽排線連接可以增加抗干擾性。驅(qū)動(dòng)器上反饋的IGBT故障信號(hào)沿與上述PWM波傳輸相反的路徑送給DSP控制板，DSP對(duì)其處理然后發(fā)出相應(yīng)保護(hù)指令。驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)和保護(hù)功率器件，防止意外產(chǎn)生，可立即關(guān)斷器件。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路方框圖

3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3．1 光纖發(fā)送電路

由DSP發(fā)出的PWM信號(hào)先通過RC濾波和施密特觸發(fā)器整形后送給后面的光纖發(fā)送電路，轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，如圖3所示。

圖3 光纖發(fā)送原理圖

RC低通電路的參數(shù)如圖3所示，截止頻率fp=1/2πR1C1=6．8 MHz，可濾除 PWM 波的高頻干擾，二極管D1、D2將電平鉗位在0 V或5 V，反相施密特觸發(fā)器74HC14輸出傳遞延遲為幾十ns。二輸入與非門SN75452的目的是為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。光纖發(fā)送、接受器分別采用 AVAGO的HFBR 1521和2521，這對(duì)組合能實(shí)現(xiàn)5 MBd的傳輸速率下最大20 m的傳輸距離。

3．2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路接收光纖傳遞過來的PWM波信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后分成兩路送給并聯(lián)的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)器。圖4為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路的部分原理圖。

圖4 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路原理圖

為了防止 IGBT直通［7］，要求 IGBT上、下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能同時(shí)為高電平。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路將輸入的兩路信號(hào)PWM-A，PWM-B(對(duì)應(yīng)IGBT上、下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，低電平有效)其中一路信號(hào)做“非”處理然后與另一路信號(hào)做“與非”處理，這樣，當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路輸入的兩路PWM信號(hào)同時(shí)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路輸出PWM信號(hào)為低電平(高電平有效)，IGBT上、下管均關(guān)斷而不會(huì)直通。

IGBT發(fā)生故障時(shí)，如過流、短路和驅(qū)動(dòng)器電源欠壓等，驅(qū)動(dòng)器會(huì)反饋故障信號(hào)給驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路(圖4中的SO1、SO2)。在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路中將PWM信號(hào)與IGBT故障反饋信號(hào)SO(低電平有效)做“與”處理，這樣當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到IGBT故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路會(huì)封鎖PWM信號(hào)輸出(輸出低電平)，及時(shí)關(guān)斷IGBT。同時(shí)故障信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路、光纖發(fā)送電路反饋給DSP，DSP對(duì)其處理后發(fā)出相應(yīng)保護(hù)指令。

3．3 驅(qū)動(dòng)器電路

3．3．1 輸入信號(hào)處理

2SP0320T2A0是基于CONCEPT公司的SCALE－2芯片組的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器采用脈沖變壓器隔離，通過磁隔離把信號(hào)傳到高壓側(cè)。根據(jù)脈沖變壓器一次側(cè)二次側(cè)，芯片分為原方和副方。原方芯片有兩個(gè)重要的特點(diǎn):①芯片帶寬很高，可以響應(yīng)極高頻的信號(hào);②芯片的兩個(gè)脈沖信號(hào)INA、INB輸入跳變電平比較低，雖具有施密特特性，可是若噪聲超過這個(gè)數(shù)值，驅(qū)動(dòng)器也能響應(yīng)。在SCALE－2輸入芯片中，一般不使用窄脈沖抑制電路。但是若驅(qū)動(dòng)器前端脈沖信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸時(shí)，鑒于上述噪聲干擾，窄脈沖抑制電路非常必要，然后再經(jīng)施密特觸發(fā)器CD40106，可將信號(hào)跳沿變得陡峭。門電路要就近接入INA、INB腳，如圖5所示。為提高抗干擾能力可以在接收端放置一數(shù)值較小的下拉電阻，為提高輸入信號(hào)的信噪比則可在輸入側(cè)配置電阻分壓網(wǎng)絡(luò)提高輸入側(cè)的跳變門檻，例如本來輸入電壓門檻分別為2．6 V 和1．3 V 經(jīng)電阻 R1=3．3 kΩ 和 R2=1 kΩ 提高到了11．18 V 和5．59 V。

圖5 輸入信號(hào)處理

3．3．2 報(bào)錯(cuò)信號(hào)的處理

報(bào)錯(cuò)信號(hào)SO管腳直接連到ASIC中，其內(nèi)部為漏極開路電路，對(duì)噪聲比較敏感，且連線越長(zhǎng)，對(duì)噪聲越敏感。對(duì)SO信號(hào)的處理有以下的方法:(1)SO信號(hào)必須有明確電位，最好就近上拉;(2)SO信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)線傳輸時(shí)，可以配合門電路，提高電壓信號(hào)抗干擾能力，且接收端配合阻抗合適的下拉電阻;(3)SO接10Ω小電阻，再用肖特基二極管做上下箝位保護(hù)，控制器端用電阻上拉。如圖6所示對(duì)應(yīng)上述的第2種，虛線表長(zhǎng)線傳輸。

3．3．3 IGBT 短路保護(hù)

圖6 報(bào)錯(cuò)信號(hào)處理

當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，短路電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定電流的5倍 ～6倍［8］，此時(shí)必須關(guān)斷IGBT。否則會(huì)造成IGBT不可恢復(fù)的損壞，因此為保護(hù)功率器件，需要設(shè)計(jì)保護(hù)電路。

短路檢測(cè)一般用電阻或者二極管，檢測(cè)功率器件C、E的飽和壓降，圖7則為二極管檢測(cè)電路，當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，集電極電位上升，二極管截止，VISO通過R向C充電至參考電位，相應(yīng)的比較器輸出翻轉(zhuǎn)，從而檢測(cè)到短路狀態(tài)。

圖7 短路檢測(cè)

R用于設(shè)置響應(yīng)時(shí)間，其阻值可由以下的式子進(jìn)行計(jì)算:

式中:VGLX為驅(qū)動(dòng)器的關(guān)斷電壓，2SP0320T－2A0關(guān)斷電壓為－10 V，C的值推薦在100 pF～1 nF，R 的值推薦在24 kΩ ～62 kΩ。

圖8 短路保護(hù)原理圖

驅(qū)動(dòng)器短路保護(hù)原理如圖8所示(由電阻Rvce檢測(cè)短路)。其中VISO、VE、COM是由芯片內(nèi)部將副邊輸出25 V電源處理出來的端口。VISO、VE之間15 V，是穩(wěn)壓的，COM、VE之間 －10 V，是不穩(wěn)的。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，B點(diǎn)電位從－10 V開始上升(內(nèi)部mosfet將B點(diǎn)電位箝在－10 V)，IGBT集電極電位開始下降至Vcesat(2 V左右)，最終B點(diǎn)電位也達(dá)到Vcesat;當(dāng)IGBT短路后，IGBT會(huì)退出飽和區(qū)，此時(shí)A點(diǎn)電位(集電極)會(huì)迅速上升到直流母線電壓，A點(diǎn)通過電阻向B點(diǎn)充電，由二極管鉗位，B點(diǎn)電壓在15 V左右。經(jīng)過一段時(shí)間后(極短的時(shí)間)，B點(diǎn)電位上升到參考電壓C點(diǎn)，比較器翻轉(zhuǎn)，IGBT被關(guān)斷。參考電壓通過電阻R2來設(shè)置，VREF=150 μA·R2。

由于密勒電容的存在，當(dāng)IGBT短路時(shí)，門極電位會(huì)被抬升，相應(yīng)短路電流會(huì)增大。門極鉗位電路可以將門極電位鉗住，以確保短路電流不會(huì)超過規(guī)定的范圍，一般有倆種方法:①G和E之間接一個(gè)雙向的TVS。②門極直接接一個(gè)肖特基二極管將門極鉗位在15 V。

IGBT發(fā)生短路時(shí)，此時(shí)關(guān)斷管子d i/d t會(huì)很大，電路中的雜散電感會(huì)感應(yīng)出很高的尖峰電壓或較大的d v/d t，關(guān)斷過壓值可通過 Vtr=Lsd i/d t計(jì)算，Ls表雜散電感，這些都可能損壞IGBT。有源鉗位電路［9］則可以鉗住IGBT的集電極電位，當(dāng)集電極－發(fā)射極電壓超過閾值時(shí)，部分打開IGBT，從而令集射電壓得到抑制。有源鉗位電路一般在發(fā)生故障時(shí)才會(huì)動(dòng)作，正常時(shí)不動(dòng)作，因?yàn)樵谄骷ｊP(guān)斷時(shí)產(chǎn)生電壓尖峰不太高，但過載和發(fā)生短路時(shí)，此時(shí)關(guān)斷管子會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓尖峰。最基本的有源鉗位電路，只需要TVS管和普通快恢復(fù)二極管即可構(gòu)成，但存在TVS管功耗大和鉗位效果不好等缺點(diǎn)，基于SCALE－2設(shè)計(jì)的Advanced Active Clamping電路改進(jìn)了這些缺陷，鉗位的準(zhǔn)度及電路的有效性大大提高，可參考文獻(xiàn)［10］。

4 實(shí)驗(yàn)波形與分析

將設(shè)計(jì)出IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在前面所述500 kW光伏逆變器上。我們用示波器分別測(cè)量一路PWM信號(hào)光纖發(fā)送板的輸出波形和光纖轉(zhuǎn)接板的輸入波形，如圖9(a)所示，測(cè)量光纖轉(zhuǎn)接板輸出波形和IGBT驅(qū)動(dòng)器輸出波形，如圖9(b)所示。同一橋臂上下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖9(c)所示。可以看出，該驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)傳輸延遲小，跳沿陡峭，信號(hào)無失真，說明其抗干擾能力強(qiáng)。上下管的脈沖之間明顯有一死區(qū)時(shí)間，可防止橋臂直通。采用了該驅(qū)動(dòng)電路的500 kW光伏逆變器運(yùn)行狀況良好。我們測(cè)量了其約80%負(fù)載時(shí)并網(wǎng)電流波形，如圖9(d)所示，電流波形為光滑正弦波，總諧波畸變率THD＜2%。該驅(qū)動(dòng)電路具有很好的實(shí)用性與借鑒性。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一款大功率的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，在實(shí)際500 kW的光伏逆變器中得到驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定可靠，并具有保護(hù)作用，對(duì)整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性起了重要的作用，可應(yīng)用于類似大功率變流設(shè)備中，對(duì)其他驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)也具有很好的借鑒性和指導(dǎo)性。

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