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快乐飞艇是假的 大功率变频器中的IGBT驱动电路设计

作者:海飞乐技术 时间:2018-06-12 17:45

  1. 引言
  近年来以逆变电路为核心的变频技术不断提高,发展迅速及大功率变频技术应用日益增长(例如稠油采集电加热变频器、油水分离电脉冲电源、自来水消毒臭氧发生设备电晕放电电源和脉冲电镀电源等),为节约能源、提高产品质量和发展生产等发挥了重要作用。

  大功率变频器通常需选用大功率IGBT作为逆变电路的主开关器件,其通断状态变化由以单片微机为核心的主控电路通过驱动电路实现。如何设计大功率IGBT的驱动电路,从事大功率变频技术研究和产品开发的科技人员相当关心。本文阐述了作者研制成功的120 kVA特种变频器中lGBT驱动电路的设计和实用效果。
 
  2. 120kVA特种变频器概况
  120 kVA特种变频器,其电路概况如图1所示。图片主电源E代表二极管三相桥式整流和滤波电路,其输入接三相工频市电;Tout代表120kVA非晶态铁芯变压器,其输出电压约2kV,送给感性负载(稠油采集特种加热电缆);T1~T4各自代表625A/1200 V IGBT,T1和T2合用1只2单元模块BSM300GB120DLC,T3和T4合用另1只BSM300GB120DLC。

图1 特种变频器电路概况图 
图1 特种变频器电路概况图
 
  3. 驱动器件的选择
  图1中T1~T4的驱动电平为±15V,即IGBT稳态导通时,其栅极与射极之间电压(UGE)on=+15V;IGBT稳态关断时,其栅极与射级之间电压(UGE)off=-15 V。图中RG1~RG4(后面文中用RG代表其中之一)是IGBT栅极串联电阻,IGBT动态功耗的大小与RG阻值的大小密切相关,RG之典型值为3.3Ω 。BSM300GB120DLC的多项参数,均以RG=3.3Ω为前提。因此,本特种变频器选RG=3.3 Ω。

  众所周知,lGBT栅极与射极之间存在极间电容CGE(BSM300GB120DLC的 CGE≈21000pF),当它处于关断稳态时,CGE两端电压之稳态值(UGE)off=-15V。在此条件下,当主控电路按闭环控制规律需要将某只处于关断稳态的IGBT变为导通时,驱动电路相应的输出电压将为+15
V,即RG两端的瞬时电压最大可达:
(uRG)max=15-(UGE)off=15-(-15)
 
即                                                                                                                                 
 
(uRG)max=30V              (1)
 
因此驱动电路需提供的最大瞬时电流为
(iRG)max=(uRG)max/RG        (2)
 
将式(1)和RG=3.3Ω代入式(2)可得
(iRG)max≈9.1A        (3)
 
  IGBT常用驱动器件TLP250和EXB840/841/850/851等,均不符合上述要求,这种特种变频器安装在野外,无人值守,对性能要求高,因此选择2SD315A作为大功率IGBT的驱动器件。
 
  4. 2SD315A的内部结构
  CONCEPT公司新推出的2SD315A是一种集成度很高的驱动模块,内部包含2路IGBT驱动电路,最大瞬时输出电流可达±15 A,可以用于驱动1700下大功率lGBT,它的特点是具有安全性、智能性与易用性。2SD315A的内部电路主要可分为3大功能模块,如图2所示。第1块是LDI(Logic To Driver Interface,逻辑驱动转换接口),它主要用于接收“控制侧”的PWM信号,经过处理后传送给下一级、第2块是IGD(Intelligent Gate Driver,智能门极驱动),它通过高频隔离变压器从上一级(LDI)接收控制信号,经放大等处理后输出±15 V/±15A(瞬时电流)的驱动信号,用于“驱动侧”外接大功率IGBT的控制,每只2SD315A内部包含2个IGD模块。第3块是输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器,它的主要功能是给2路输出通道提供彼此隔离的供电,图中的VDD和VDC都为+15V,分别为控制侧输入电路和DC/DC转换器供电,驱动模块使用单一的15V电源产生+15V和-l5 V电压,用于驱动外部IGBT。它采用变压器耦合隔离,工作频率可高于100 kHz,输入输出间交流耐压可达4000V。
图2 驱动模块内部结构图 
图2 驱动模块内部结构图
 
  5. 2SD315A的特点
  2SD315A共有42个有效引脚,其中除了“驱动侧”的20个引脚外,其他比较重要的引脚及其功能如下:MOD(模式定义),RC1/RC2(RC网络),VDD/VDC、GND(电源和地),VL(逻辑电平定义),lnA/InB(A,B两路控制信号),SO1/SO2(两种状态输出信号)。
 
  5.1 可选择的工作模式与死区时间
  通过对MOD引脚电平的定义,2SD315A可产生2种工作模式供用户选择:独立工作模式与半桥工作模式。在独立工作模式下,驱动器的两路输出信号相互之间没有任何逻辑联系。具体接线是输入引脚MOD接VDD,输入引脚RC1与RC2接地。在半桥工作模式下,驱动模块本身可以直接产生所需要的死区时闻,使驱动电路的两路输出信号不会同时为高电平。具体接线是:将2SD315A的输入引脚MOD接口GND,输入引脚RC1和RC2分别外接一个RC网络,用于产生所需的死区时同,以保证半桥电路上、下2只IGBT不会直通。
 
  5.2 可选择的控制逻辑电平
  2SD315A驱动模块采用15 V单电源供电,引脚VL用于选择控制信号的逻辑电平,即:VL端采用不同的接法,输入控制信号InA与InB可分别采用TTL电平(如图3中左上角所示)和15V电平(需将图3中4.7 V稳压管断开)2种模式工作。
 
  5.3 可选模式的信号输入与状态输出
  控制侧的两路信号分别从引脚lnA与InB输入。在不同的工作模式下,这两路信号有着不同的功能。在直接模式下(MOD引脚接VDD),输入信号InA直接控制通道1,输入信号lnB直接控制通道2;在半桥工作模式下(MOD引脚接GND),PWM信号从引脚InA输入,而引脚lnB输入的信号被定义为“允许”信号,同时对三个通道起作用:当InB输入为高电平时,2通道处于正常工作状态;当InB输入为低电平时,通道同时被封锁,模块处于封锁状态时,模块输出的2路门极控制电压都为-15V,以确保被控制的2只IGBT都处于安全关断状态。

  2SD315A有2个引脚(SOI与SO2)专门用于输出模块所处的工作状态,其输出端结构皆为集电极开路输出,因此可以通过外接上拉电阻以适用于各种电平逻辑。在正常工作时,两路SO状态输出都为高电平;当某一通道被检测出有故障信号产生时,它所对应的SO引脚的输出电平立刻被拉低到GND。
 
  5.4 短路与过流保护
  2SD315A的2通道输出端都配备有UCE监测电路。当某一路或2路的驱动电路外接的lGBT器件出现过流现象时,监测电路会立刻将异常状态回馈到驱动模块,产生故障信号并将它锁存,驱动模块内部会同时产生一个典型值为1s的封锁时间,在封锁期间,驱动模块处于封锁状态,将2阻IGBT及时关断。同时,状态输出端对应的SO引脚也输出代表出现故障的低电平信号,可送给单片微机或其他保护控制电路。
 
  5.5 智能型电源监控
  如果给驱动模块供电的电源电压过低,会影响驱动电路的可靠性,甚至可能使被驱动的IGBT处于“放大状态”,功耗过大,温升高,造成器件损坏。2SD315A驱动模块内部集成了低电压监控电路,一旦电源的输入电压低于10 V,监控电路就向模块内部发送故障信号,使整个模块处于封锁状态,以保证系统安全。
 
  5.6 使用注意事项
  2SD315A自身输出级没有过电流保护功能,因此通电前应测量其输出端G和E引脚外接负载电阻是否大于2.2 Ω,而且调试或测量时切勿造成2SD315A输出端G与E短路,以免2SD315A出现损坏。
 
  6. 2SD315A应用实例
  4只625A/1200 V的IGBT构成桥式逆变主电路,它们由2片2SD315A控制。每片2SD315A各驱动半桥上、下2只IGBT,如图3所示。图中Reset(复位),InB(允许)和PWM是主控电路送给驱动电路的控制信号,SO是驱动电路送给主控电路的信号。若SO变为低电平,则说明2SD315A检测到至少有一个通道出現故障,主控电路应当使“lnB”变为低电平,并保持足够长时间(例如5min,可由单片微机软件定时实现),同时发出声光报警信号。
图3 桥式逆变主电路 
图3 桥式逆变主电路
 
  6.1 2SD315A工作模式的设定
  在该应用中,MOD引脚接GND,选定半桥工作模式,即InA定义为PWM信号输入,lnB为“允许”信号,输出的两路驱动信号内动产生由RC网络确定的死区时间,以确保上下IGBT(T1和T2或T3和T4)不会同时导通。VL/Reset引脚接4.7 V齐纳二极管的负极,选定TTL工作模式;InA与InB都采用TTL逻辑电平控制。
 
  6.2 外围元件参数的计算
  通过参考电阻Rth阻值的选。?梢匀范↖GBT的电流保护阈值(对应UCE电压保护阈值)。原理如下:IGBT开通状态下,当驱动模块某一路引脚C的电位超出引脚Rrh的电位时,驱动模块就进入保护状态;而2SD315A内部的电流源给Rth引脚提供150µA的输出电流。在临界保护条件下,根据图3可以得出Rth的计算公式
 Rth=(Uth+UD)/I   (4)
  式(4)中Uth为IGBT的UCE电压保护阈值;UD为IGBT集电极所连接的2只串连二极管(这里选用2只IN4007)的导通压降之和,约为1.4V;I是Rth上的恒定电流,其值为150µA。我们在实际应用中选取的IGBT为eupec的BSM300GB120DLC,其集电极可重复峰值电流在80℃条件下为600A,取其电流保护阈值为350A,对应的UCE电压阈偵约为2.6 V。由式(4)计算可得;驱动侧参考电阻Rth可选27kΩ。这样,当IGBT过流,UCE超出设定值(2.6 V)时,驱动模块将自动进入保护状态。

  两路状态输出信号SO1利SO2接到同一上拉电阻,引出信号定义为SO。两路驱动中任一路出现故障,都将有公共的报错信号(SO降为低电平)。为了能够有效地保护IGBT,当出现过流、短路或电源电压过低等情况后,应该封锁各lGBT,井保持一段时间(由主控电路中单片微机软件实现),即一旦出现故障,驱动模块将自动产生故障信号、SO变低,“允许”信号lnB的输入也随之变低,驱动模块立刻进入封锁状态,两路驱动输出均为-15V,保证上下lGBT有效封锁。该封锁状态将一直保持到主控电路中单片微机软件计时结束,使"允许"信号InB恢复高电平为止。RC1与RC2两输入端部各自接一个RC网络,这里取R=22kΩ,C=150pF,产生2.1µs的死区时间,有效保证上下桥臂不直通。

  7. 实用效果
  前面所述以2SD315A为核心的驱动电路,已在多台12kVA特种变频器中实施,长期运行效果良好。并曾先后10余次进行过电流(在特种变频器运行时,故意将输出变压器TOUT的副边短路)和驱动电路供电电源异常(故意将图1中15V电源电压降低至9.6V)等人为故障实验,2SD315A每次均能有效地保护它所驱动的IGBT,因此,2SD315A是一种可信赖的大功率IGBT驱动器件。




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