2SD315A在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

易臻希

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙，410111)

2SD315A在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

易臻希

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙，410111)

驅(qū)動(dòng)電路是光伏并網(wǎng)逆變器的核心部件，其性能對功率開關(guān)器件的工作可靠性至關(guān)重要。以集成驅(qū)動(dòng)芯片2SD315A作為驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)，通過采取合理設(shè)置柵極驅(qū)動(dòng)電阻及死區(qū)時(shí)間等措施，實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)器件的安全可靠驅(qū)動(dòng)。

光伏并網(wǎng)逆變器；驅(qū)動(dòng)電路；雙極性SPWM技術(shù)；死區(qū)時(shí)間

單相全橋并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，可適應(yīng)寬輸入電壓范圍，體積小，質(zhì)量小，可降低成本和提高效率，常用于家庭應(yīng)用的單相小功率系統(tǒng)。為了保證逆變器正常工作，功率開關(guān)管的安全可靠驅(qū)動(dòng)是必須解決的問題。驅(qū)動(dòng)電路必須有足夠的輸入輸出電隔離能力，具備完善的故障自診斷和自我保護(hù)的功能，保護(hù)電路能在異常情況下封鎖脈沖輸出。全橋并網(wǎng)逆變器的上半橋和下半橋的兩個(gè)功率開關(guān)管被串聯(lián)在一個(gè)支路中，為避免直通，兩器件的開通周期必須不能重疊，需要合理設(shè)置死區(qū)時(shí)間，從而避免功率元件燒毀，以保證并網(wǎng)逆變系統(tǒng)和市電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中一個(gè)輸出功率為3 kVA，輸出電流峰值約20 A的并網(wǎng)逆變器，對其驅(qū)動(dòng)電路中的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。

1 功率變換技術(shù)

目前使用最廣泛的功率變換技術(shù)是PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)，通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。SPWM是Sinusoidal PWM（正弦脈寬調(diào)制）的簡稱，是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，其脈沖寬度是由正弦波和三角波自然相交生成的，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。SPWM技術(shù)有雙極性SPWM波形和單極性SPWM波形兩種形式[1]。雙極性SPWM技術(shù)的生成原理比較簡單，只需要一路載波即可完成SPWM的生成。采用雙極性調(diào)制技術(shù)時(shí)，4個(gè)功率開關(guān)管的負(fù)荷是相同的，更適合工程應(yīng)用，本文采用雙極性SPWM技術(shù)。雙極性SPWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，Ur代表正弦調(diào)制波，Uc代表正負(fù)交變的雙極性三角載波，產(chǎn)生的SPWM波可以作為兩個(gè)相同開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)管的控制信號，而另外兩路信號與之互補(bǔ)。

圖1 雙極性SPWM波生成原理圖

圖2所示為采用IGBT(絕緣柵極晶體管)作為開關(guān)器件的單相全橋逆變電路。在雙極性調(diào)制方式下，按照工作狀態(tài)，將功率開關(guān)管分成兩組，即T1與T4是一組，T2與T3是一組。在T1、T4管同時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)下，T2、T3這兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷，此時(shí)逆變橋輸出電壓等于+Ud；在T1、T4同時(shí)關(guān)斷狀態(tài)下，T2、T3這兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)逆變橋輸出電壓等于-Ud。逆變橋輸出方波經(jīng)過濾波器則變成與電網(wǎng)電壓具有同頻率同相位的交流電。

圖2 單相全橋逆變電路原理圖

2 2SD315A在并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

2SD315A是大功率IGBT的集成驅(qū)動(dòng)和保護(hù)芯片，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，可提供±15 V的驅(qū)動(dòng)電壓和±15 A的峰值電流，dV/dt抗干擾能力強(qiáng)。具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與完善的短路、過流保護(hù)和電源監(jiān)控功能，工作頻率可高于100 kHz，電氣隔離可達(dá)AC4 000 V。單相全橋并網(wǎng)逆變器的驅(qū)動(dòng)電路是以2SD315A為基礎(chǔ)，加上適當(dāng)?shù)耐鈬娐窐?gòu)成。4只IGBT由2片2SD315A控制，每片2SD315A驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上下兩只IGBT，圖3為半橋T1、T2的驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 工作模式與死區(qū)時(shí)間設(shè)置

2SD315A模塊輸入引腳MOD接GND，被配置成半橋型工作模式，輸入引腳RC1和RC2分別外接一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，這里取R=33 kΩ，C=150 pF，產(chǎn)生約3 μs的死區(qū)時(shí)間，有效保證半橋電路上、下兩只IGBT不會(huì)直通。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.2 模塊異常狀態(tài)監(jiān)控

2SD315A模塊有兩個(gè)引腳（SO1與SO2）專門用于輸出模塊的工作狀態(tài)。在正常工作時(shí)，SO輸出均為高電平；當(dāng)某一通道被檢測出有故障信號產(chǎn)生時(shí)，它所對應(yīng)的SO引腳的輸出電平立刻被拉低到GND，并將低電平輸入到鎖存電路，同時(shí)用鎖存后的信號控制PWM輸入脈沖，這樣一旦出現(xiàn)故障，驅(qū)動(dòng)模塊將自動(dòng)產(chǎn)生故障信號，驅(qū)動(dòng)模塊立刻進(jìn)入封鎖狀態(tài)，并使該狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號鎖存電路復(fù)位。INB輸入通道控制系統(tǒng)輸出的封鎖信號，如出現(xiàn)異常，則使能封鎖信號。當(dāng)INB輸入為高電平時(shí)，兩通道處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)INB輸入為低電平時(shí)，兩通道同時(shí)被封鎖。模塊處于封鎖狀態(tài)時(shí)，模塊輸出的兩路門極控制電壓都為-15 V，以確保被控制的兩只IGBT都處于安全關(guān)斷狀態(tài)。

2.3 電源監(jiān)控及短路與過流保護(hù)

2SD315A驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)集成了低電壓監(jiān)控電路，一旦電源輸入電壓低于10 V，監(jiān)控電路就向模塊內(nèi)部發(fā)送故障信號，使整個(gè)模塊處于封鎖狀態(tài)，以保證系統(tǒng)安全。同時(shí)，2SD315A的兩通道輸出端都配備有Uce監(jiān)測電路。當(dāng)某一路或兩路的驅(qū)動(dòng)側(cè)電力器件出現(xiàn)短路或過流現(xiàn)象時(shí)，監(jiān)測電路會(huì)立刻將異常狀態(tài)回饋到驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生故障信號并將它鎖存，驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)典型值為1 s的封鎖時(shí)間，在封鎖期間，驅(qū)動(dòng)模塊處于封鎖狀態(tài)，將兩組IGBT及時(shí)截止。同時(shí)，狀態(tài)輸出端對應(yīng)的SO引腳也輸出代表出現(xiàn)故障的低電平信號。

2.4 柵極電阻Rg的選擇

合適的柵極電阻Rg對于IGBT的驅(qū)動(dòng)非常重要。Rg太大，會(huì)使IGBT通斷狀態(tài)變化的過渡過程時(shí)間延長，開關(guān)損耗增加；Rg越小，柵極電容放電越快，開關(guān)時(shí)間較快，開關(guān)損耗就比較低。但Rg太小，會(huì)使IGBT開通di/dt增大，可能引起門極電壓振蕩，造成觸發(fā)誤導(dǎo)通，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞IGBT[2]。因此選擇Rg時(shí)需要綜合考慮。

通過公式(1)確定Rg可選擇的最小值：

其中：ΔU為柵極正反向偏置電壓之差，即+15-(-15)=30 V，Igmax為驅(qū)動(dòng)電路所能提供的最大驅(qū)動(dòng)電流，2SD315A芯片最大輸出電流為15 A，所以Rgmin=2 Ω，實(shí)際應(yīng)用中Rg取10 Ω。

2.5 參考電阻Rth的選取

2SD315A內(nèi)部的電流源在Rth引腳提供150 μA的輸出電流，通過參考電阻Rth阻值的選取，可以調(diào)整IGBT的電流保護(hù)閾值。Rth計(jì)算公式見(2)：

其中Rth為IGBT的Uce電壓保護(hù)閾值，Ud為IGBT集電極所連接二極管的導(dǎo)通壓降。應(yīng)用中Rth取27 kΩ。當(dāng)IGBT過流，Uce超出設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊將自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在全橋并網(wǎng)逆變電路中，主功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)超過直流輸入側(cè)的最大電壓，即450 V，加上回路寄生電感產(chǎn)生的脈沖尖峰，選取600 V等級的功率管。并網(wǎng)逆變器輸出功率為3 kVA，輸出電流峰值約為20 A。考慮3倍安全余量，選擇額定電流值在60 A以上的功率開關(guān)管。選取西門子公司IGBT模塊BSM75GB60DLC為開關(guān)管，其額定電流為75 A，耐壓為600 V。

圖4 Uge1、Uge4的波形

采用2SD315A驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)建光伏并網(wǎng)逆變器裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖4為Uge1、Uge4的波形，該兩路波形同向且占空比相同。

圖5、圖6為Uge1、Uge2的波形，該兩路波形互補(bǔ)且?guī)绤^(qū)，死區(qū)時(shí)間由圖6可知約為3 μs。

圖7所示的通道門極輸出均為-15 V，表明模塊異常狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)板封鎖輸出。

圖5 Uge1、Uge2的波形

圖6 死區(qū)時(shí)間

圖7 輸出封鎖

4 結(jié)束語

2SD315A驅(qū)動(dòng)模塊集成度高，工作模式與死區(qū)時(shí)間可以靈活設(shè)置，內(nèi)部設(shè)有電源監(jiān)控、短路與過流保護(hù)電路，外圍電路簡單。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由2SD315A構(gòu)成的并網(wǎng)逆變器驅(qū)動(dòng)電路可行，輸入/輸出響應(yīng)時(shí)間短，保護(hù)電路動(dòng)作快速、可靠，保證了逆變器的安全可靠運(yùn)行。

[1] 崔龍彬.3 kW單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的研究[C].華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2011.11.

[2] 孫稚，孫梅生，王磊.大功率IGBT驅(qū)動(dòng)模塊2SD315A的特性及其應(yīng)用[J].電力電子技術(shù)，2002，36(6)：73-75.

[3] 鄭月非，張愛玲.以2SD315AI為核心的IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試[J].電氣技術(shù)，2010，(3)：65-67.

[4] 王威，李亮，方昕，康勇.高壓大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案研究.通信電源技術(shù).2005，22(1)：11-14.

The Application of 2SD315A in Photovoltaic Grid-connected Inverter

YI Zhenxi
(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

Driver circuit is the core component of photovoltaic grid inverter，its performance is very important to the work reliability of the power switch device.With integrated driving chip 2SD315A as the basis of drive circuit，by adopting reasonable gate drive resistance and dead band time，achieve the safe and reliable driving of power switch device.

Photovoltaic grid-connected inverter；Driver circuit；Double polarity SPWM technique；Dead band time

TN702

B

1004-4507(2017)02-0039-05

易臻希（1969-），男，高級工程師，從事太陽能光伏產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)研究。

2016-12-16