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快乐飞艇计划_人工版 有源滤波器IGBT驱动电路设计及性能分析

作者:海飞乐技术 时间:2017-06-22 11:40

  电力电子器件和非线性负较的广泛应用使电网中存在大量谐波,APF是有效抑制谐波的重要手段。IGBT是APF主电路的核心,选用设计良好、性能可靠的驱动电路可使其工作在较理想的开关状态,而开关时间缩短、损耗减小能提高APF运行效率,增强其可靠性和安全性。
  此处针对大功率IGBT驱动存在电路复杂、可靠性低的缺点。应用2SD106设计了大功率IGBT驱动电路。它不但具有过压、过流保护等基本功能,且实现了电压抑制及互锁、电压监控及错误复位。与常用电路相比,该电路能有效驱动IGBT,并可对主电路器件进行保护,满足APF稳定工作的需要,并可获得良好效果。

  一、 驱动电路设计与应用
  1. 驱动模块特性
  2SD106是专为1200/1700 V级别IGBT设计的,可同时驱动两个IGBT,且可靠性高、寿命长,主要用于电机驱动、DC/DC变流器等需驱动大功率IGBT或MOSFET的系统。其驱动能力很强,最大能输出6A驱动电流,具有短路/过流保护功能,电气隔离电压达4 kV,开关频率大于100 kHz,占空比可从0~100%调节,可进行电源及自我检测。
  2SD106模块由电子接口LDI、智能栅极驱动IGD及15V DC/DC电源组成。每个模块含两路PWM驱动电路,其内部结构如图1所示。由于PWM信号的频率和占空比变化较大,故不能简单地通过变压器进行传输。因此,2SD106模块配备了LDI逻辑接口电路,它可提供一个简单的接口,两个信号输入端都具有施密特触发器特性,分别与5V和15V的逻辑电平相匹配,产生半桥所需的死区时间,识别编码传送的状态通知信号并进行放大,为用户提供一个准静态的状态信号。

图1  2SD106内部结构图
图1  2SD106内部结构图
 
  在实际应用中,APF工作环境复杂,为获得较高信噪比,应使用15V电平。同时可通过外接RC网络来获得所要求的死区时间。此外,IGD还能检测IGBT的过载和短路,检测电路欠压状态,产生相应锁定时间,并给LDI发出状态通知信号。
 
  2. 电压抑制及互锁电路设计
  APF变流器由DSP发出指令,经IGBT驱动电路进行控制。DSP输出6路互补的PWM信号给驱动电路,保证在同一时刻任意一对桥臂中上下两个IGBT模块不同时导通。但在DSP上电瞬间,其I/O口状态不确定,且在极端情况下DSP有可能损坏,输入驱动电路的信号也不能保证为互补信号,这就容易造成上下桥臂同时导通的状态,损坏IGBT,从而威胁APF的安全运行。因此,需对2SD106模块输入信号进行调整,使之能确保驱动模块不会产生错误动作,保证系统安全运行。
  设计的电压抑制及互锁电路如图2所示。图中,电阻R3,R4,R5,二极管VD1,VD2,VD3,三极管VQ1组成上桥臂电压抑制及互锁电路,下桥臂结构与上桥臂相同。VD1,VD2负责将输入信号的电压箝位在0-15 V之间。当上桥臂驱动信号高于5.6V时,稳压二极管VD6和三极管VQ2导通,将下桥臂的信号输入端拉低到低电平,反之,当下桥臂输入信号为高电平时,上桥臂同样被拉低到低电平。这样就在电气上保证了同一对桥管中两个IGBT不可能同时导通。
图2 电压抑制及互锁电路 
图2 电压抑制及互锁电路
 
  IGBT门极电阻直接影响IGBT的开通速度。门极电阻越。??ㄋ俣仍礁,冲击也越大.门极电阻过大使开通速度变慢,影响系统性能。综合考虑,此处选择门极电阻为33Ω。R20,R22为过流保护设定电阻,选择其阻值为40kΩ,此时过流反应时间为7.5µs,当过电流值达到2倍额定值时,执行过流保护动作,2SD106模块切断输出信号使IGBT处于截止状态,防止IGBT电流过大而损坏。
 
  3.电压监控及错误复位电路
  图3示出电压监控及错误复位电路。在上电瞬间,电源Vcc通过电阻R11向电容C5充电,再由CD40106的3脚输出一个短暂的低电平,因为CD40106内部自带施密特触发器具有延迟特性,故会有一个低电平被送至复位引脚(VL端),形成上电复位。图中,VD10为12V稳压二极管,当电源上电后,VD10被击穿,三极管VQ4导通,VQ5截止,SO1和SO2输出高电平,在经过两个非门后,高电平被送至VL端,使模块解除复位状态。当有故障发生时,SO1,SO2会输出一个低电平,经两个非门延迟后送入VL端使模块进行复位;故障解除后,SO1和SO2输出高电平,系统进入正常工作状态。
图3 电压监控及错误复位电路 
图3 电压监控及错误复位电路
 
  二、 驱动电路性能分析
  为测试2SD106的性能,此处对常用的另一种IGBT驱动模块EXB841进行相关测试。EXB841是IGBT专用驱动模块,其驱动信号延迟不大于1µs,最高工作频率可达40 kHz;采用单独20V电源供电,由模块内部自身产生5V负偏压。此外,模块采用高速光耦输入进行隔离,并有过流检测及过流信号输出,过流慢速关断等功能,防止以正常驱动速度切断过流时,产生过高的集电极电压尖脉冲损坏IGBT器件。目前EXB841广泛应用于通用变频器、UPS、电焊机及其他电力设备。
  EXB841与2SD106相比,最大的优点是价格相对便宜,市场货源充足,但EXB841存在下列不足:①保护盲区:从过流检测部分到保护输出有3.5 µs的延迟,尽管目前IGBT在3.5 µs内能承受一定的过载电流,但若过载电流过大或长期在此窄脉冲下过流,ICBT会损坏;②无过流保护自锁功能;若出现过流保护,EXB841自身只有当前脉冲软关断功能,而不是对IGBT的有效关闭;③保护特性:即负偏压不足的情况。EXB841使用单一的20V电源产生15V和-5V偏压,在高电压大电流情况下(即直流母线电压较高,例如大于600 V),-5 V栅压就显得不够。此外,目前市场上销售的大多数EX8841负栅压实际上不到-5V。因此,在高电压大电流情况下,IGBT有可能被误导通。
  EXB841成本低,应用广,采购便利,但其性能不是特别理想,2SD106价位较高,市场保有量较。?柰馕У缏返纳杓瓶煽,驱动性能较为优越。此处利用示波器TDS1012进行其驱动能力的对比实验,实验波形如图4所示。
图4 实验波形 
图4 实验波形
  可见,用相同的给定电压ugivn驱动纯阻性负载时,2kHz频率下,2SD106与EXB841的输出波形uo均为近似方波,性能基本相同。在20 kHz频率下,EXB841的uo已经开始变差。在40 kHz频率下,EXB841的uo已经十分接近脉冲波,而2SD106的uo依然保持近似方波。可见,当EXB841的开关频率在20kHz以上时,其驱动性能明显不如2SD106。而此处APF系统采用滞环控制,开关频率不固定,由滞环环宽根据需补偿电流的大小来决定,系统开关频率在补偿电流较大时可达30kHz的极限频率,故APF主电路驱动模块选择2SD106是合理的。
  在实验室搭建了APF样机,对驱动电路的开通和关断特性进行研究,结果如图5所示,可见,2SD106关断时间约为4.4µs,开通时间约为2.7 µs。EXB841关断时间为8.6µs,开通时间约为1.7µs。
图5 关断及开通延迟特性实验波形 
图5 关断及开通延迟特性实验波形
 
  由实验可见,EXB841关断时间约为2SD106的两倍,开通时间比2SD106略短。
  综上所述,25D106的性能完全符合APF主电路的驱动要求,而EXB841在高频情况下,驱动能力减弱,且关断延迟等特性略差。
  IGBT驱动电路设计的好坏直接关系到APF系统是否能够正常、安全、稳定地工作。此处通过对2SD106驱动模块的分析,设计出围绕2SD106模块的驱动电路。实验结果表明该驱动电路能有效驱动主电路IGBT正常工作,驱动效果较好,并能为电路提供相应保护,保证系统的可靠运行。对APF实验样机进行长时间通电运行测试,结果表明该驱动电路能使APF平稳可靠地运行,说明该设计合理有效,具有较高的实用价值。



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