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快乐飞艇在线网站 智能化软关断保护型IGBT驱动电路设计

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 14:42

  1. 引言
  IGBT在牵引电传动、电能传输与变换、有源滤波等电力电子领域得到了广泛的应用。高性能的IGBT驱动电路能减小开关延时,降低开关损耗,使IGBT获得很好的开通关断性能,在发生过流或短路故障时,迅速做出保护动作,避免超过热极限,发生擎住效应以及超过器件耐压的情况,保证IGBT可靠安全关断。很多文献中提到过:通过组合不同门极驱动电阻的取值来限制开通di/dt和关断dv/dt;在IGBT有效关断工作区,门极电路使用带闭环控制的高速运放,通过调节参考电压来精确控制关断dv/dt;三级有效门极驱动(AGD)在开通关断时间内分三个阶段控制CGE的充放电电流来控制漏源电压、电流上升率。降栅压和软关断是很好的故障保护方法;通过两步慢关断抑制过高的关断dv/d/;通过钳位栅压与软关断相结合实现故障保护;通过慢降栅压技术控制电流下降率,抑制电压峰值。
  实际应用中,多种IGBT驱动模块电路使用上都有其局限性。富士EXB841需外接隔离电源,没有短路软关断的封闭保护功能;三菱M57962L无内部隔离电源,短路封锁的时间只有1.2ms左右;加拿大诺维克DRP22H,短路时脉冲封锁200µs,若驱动电路上级故障保护未作用,则不能很好保护IGBT;CONCEPT公司SCALE系列由于针对EUPEC的可以无缓冲运行的IGBT设计,而无短路软关断保护功能,缺乏通用性。本文针对以上驱动电路的缺点,设计了一种智能化软降栅压结合软关断保护型IGBT驱动电路。该电路集成隔离电源,采用可编程逻辑器件(CPLD)实现控制逻辑,高、低电平驱动方式可通过改写源代码简单实现。两路独立直接驱动与一桥臂红补驱动工作模式可以选择,欠压、过流等保护功能齐全。软降栅压、软关断的时间和速率,封闭保持时间,故障信号维持时间等参数可灵活设置。驱动和保护功能得到了相关试验验证。
 
  2. 智能化IGBT驱动保护电路原理
  2.1电路结构框图
  图1所示为驱动电路总结构图。电气隔离将信号分成输入和输出两部分。输入部分由CPLD与外围电路构成,实现逻辑判断,模式选择,驱动信号分配处理以及故障输出等功能。输出部分有两路通道,其电路结构完全相同。每个通道集成欠压过流保护,驱动脉冲生成,IGBT检测故障反馈等功能。电气隔离运用高共模抑制比光耦实现。采用高频开关电源为驱动电路各部分供电。开关电源变压器匝间绝缘电压达到2.5kV。DC/DC电源输出三路:一路与一次侧共地的+5V给输入侧的CPLD供电;一路的+15V和-10V共地,给输出侧的通道1提供电源;另一路的+15V和-10V共地,给输出侧的通道2提供电源。

图1 驱动电路结构框图 
图1 驱动电路结构框图
 
  2.2 工作原理
  2.2.1 信号处理部分工作原理
  图2所示为信号处理部分原理框图。其中Reset为复位端,低电平时复位,复位时So1、So2输出高电平,驱动脉冲输出低电平。Mod为工作模式选择端,低电平时,电路工作在一桥臂互补模式;高电平时,电路工作在独立直接输出模式。Ina为一桥臂互补模式时的控制信号输入端,独立直接输出模式时的控制信号输入端。Inb为一桥臂互补模式时的使能信号输入端(高电平使能),独立直接输出模式时的通道2控制信号输入端。So1、So2为1、2通道状态反馈端,通道发生短路或欠压故障时输出低电平,状态反馈信号传输到CPLD,输出故障信号,RC为半桥模式死区时间设置的,Sina,Sinb为输入原始信号,Sina信号经过电平转换和死区设置后变成Gate_a、Gate_b信号。输出的驱动脉冲为两路,PWM1和PWM2。独立驱动时对应输入的Sina和Sinb,桥臂互补驱动时对应输入是sina。
图2 信号处玾原理框图
图2 信号处玾原理框图
  信号进入电气隔离输入侧之前,要选择驱动电路的工作模式。Mod为低电平时工作在半桥模式产生两路互补的脉冲输出。Mod为高电平时工作在直接模式直接输出两路信号。Sina在半桥模式时为PWM输入端,直接模式时为通路1脉冲信号输入端。Sinb在半桥模式时为使能信号输入端(高电平使能),直接模式时为通路2脉冲信输入端。So1为通路1状态反馈端,当通路1发生短路或抗压故障时输出低电平,只有Reset为低电平或PWM1出现上升沿时才能清除故障信号。So2为通路2状态反馈端,当通路2发生短路或欠压故障时输出低电平,只有Reset为低电平或PWM2出现上升沿时才能清除故障信号。应用VHDL语言开发的可编程逻辑控制器,可以很好地实现上述功能设计。
  运用高电平驱动方式,可以采用如下VHDL源代码实现。
  process (RESET,cIK)
  Begin
  if(RESET ='0') then   --if reset, cpld output low
  PWMI1< ='0';
  PWM2 < ='0';
  elsif (clk'event and clk='1') then
  if(MOD1='1') then     --mod is 1
    PWM1<=INA1;
    PWM2<=INB1;
  elsif (INB1 ='0') then  --mod is 0,
    PWM1< ='0';
    PWM2< ='0';
  Elsif (INB1='1') then   --inb1= 1, mutex output
    PWM1<= GATE2;
    PWM2<= GATE1;
  end if;
end if;
end process;
  如果要使用低电平驱动方式,只需将源代码进行相应的修改。即PWM1<=not INA1,PWM2<=not INB1;PWM1< = not GATE2;PWM2< = not GATE1。
 
  2.2.2脉冲输出部分工作原理
  正常工作时PWM信号经过电平处理环节,输出功率放大环节变成门极电压驱动IGBT开通关断。由于可以选择高、低电平驱动两种驱动方式,同一种输入信号状态在电气隔离后产生的PWM信号可能不一致。本节工作原理说明均以低电压驱动方式为准,即输入信号为低电平,加在IGBT上的栅压为正向栅压驱动IGBT导通,图3所示为带有软降栅压结合软关断功能的输出电路原理框图。①正常开通工作,输入信号为低电平,经CPLD处理,电气隔离产生的PWM波形为低电平信号,经过电平处理转化为高电平信号,再经过输出功率放大形成+15V驱动栅压施加在IGBT栅极,驱动IGBT开通,高电平信号触发开通保护盲区定时器产生2µs延时给定到检测保护电路,检测信号延时可以避免IGBT开通瞬间出现高压尖峰引起电路误保护,经过这个2µs维持时间后,电路工作在开通状态,短路保护电路开始正常检测,②正常关断工作,输入信号为高电平,经CPLD处理,电气隔离产生的PWM波形为高电平信号,经过电平处理转化为低电平信号,在经过输出功率放大形成-15V驱动栅施加在IGBT栅极,IGBT关断,检测二极管阳极钳位在低电平,不会出现误保护。③短路保护过程,短路时,IGBT承受大电流而退饱和,集电极电压上升,超过预定的保护电压阈值,比较器翻转,触发软关断定时器,同时,短路保护封锁单稳态触发器工作,进行软降栅压和软关断保护过程,同时触发故障定时器输出故障信号。
图3 信号输出结构图 
图3 信号输出结构图
 
  3. 驱动电路设计中须注意的问题
  IGBT驱动电路是实现弱电控制强电的重要环节,驱动电路的设计要考虑低压信号的抗干扰能力,还要考虑高压电气隔离。要使驱动电路性能更优良,有以下几点需要注意:
  (1)输入信号为高频的脉冲信号,经过外围电路后与CPLD输入端相连,要保证信号的真实性,必须加软件滤波环节。实际中输入信号虽然经过硬滤波环节处理,由于电磁干扰,还是会在输入CPLD信号上产生干扰,利用VHDL语言进行软件滤波,可以将干扰尽量减。?Vば藕诺恼媸敌。
  (2)IGBT正常开通时,集电极由厂外电路电感而产生电压尖峰。驱动电路设计时要避开这段保护区间。实际中要在开通时设置一段时间的保护盲区.,等过了这段时间后,检测保护信号才能正确反应IGBT工作状况。
  (3)驱动电路设计中利用栅压信号VGE及集射极压降VCE的大。?涂梢郧?殖稣?5纪、关断及短路三种状态,即DSAT检测方法。软降栅压环节作用时,栅极电压经过2µs后软降到10V。与降栅压动作同步,触发软关断定时器保证4µs后起动软关断动作,软关断环节使驱动栅极电压在2µs内由10V降到零,实现软关断。为了保证软降栅压软关断动作能够完整进行,整个过程通过单稳态触发器进行封闭保持,维持6µs脉冲状态不变。保护过程结束时,故障定时器产生1s的故障信号输出到上位,1s内无论PWM信号处下何种状态,栅极电压维持-10V。
 
  4. 试验结果分析
  对于上述自行设计的IGBT驱动电路,我们进行了模拟短路试验和实际工作短路试验。将检测二极管的阴极悬空,可模拟观察驱动电路短路保护时软降栅压和软关断输出波形,如图4a所示。从波形中可以看出由于电路有自封锁保护功能,使IGBT的软关断过程不受输入信号的影响,确保在短路时安全关断。在驱动电路C和E之间输入窄脉冲电压,可模拟瞬时短路时的输出波形,如图4b所示。试验表明当瞬时短路结束后能恢复正常运行。
保护输出波形
瞬时短路的模拟试验波形
图4  模拟短路实验

  图5a是HSF(hard-switching fault)短路试验波形,图5b是FUL(Fault under load)短路试验波形。实际试验中负载连线过长,分布电感对电路工作会有影响。图5a是在Vd=410V时的HSF短路试验的波形。通道1是VGE波形,通道3是电流IC的波形,通道4是电压VCE的波形。从图中可以看出,在发生HSF短路时,驱动电路能够予以保护,由于密勒效应的影响,门极VGE比模拟试验时偏高。由于及时采取软降栅压的保护措施,集电极电流Ic缓慢降低,器件两端的电压VCE的最大过压只有150V。图5b是在Vd =440V时的FUL短路试验的波形。通道1是VGE波形,通道2是电压VCE的波形,通道3是电流IC的波形。可以看出,短路发生后软降栅压限制了电流上升,软关断过程将电流慢降到零,避免产生很大的di/dt。
HSF短路试验波形
FUL短路试验波形
图5 实验短路试验波形

  5. 结束语
  本文所设计的驱动电路具有如下主要特点:①输入侧的主要逻辑采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现,减少了电路结构体积。②自带开关电源,降低了驱动电路应用时的复杂性。③提出了软降栅压和软关断相结合的短路保护措施,软降栅压延迟时间、软关断时间、软关断斜率可调,能适应不同饱和压降IGBT短路保护的需要,且电路本身具有故障自锁功能。试验结果证明,本驱动电路能较好地实现IGBT的正常驱动和各种保护功能。




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