文章列表
联系我们 产品咨询

联系人:朱小飞
电话:0755-2349 0212
手机:136-3295-7632
邮箱:sofeat@foxmail.com
地址:快乐飞艇
点击这里给我发消息

??>>您当前位置:快乐飞艇 > IGBT驱动电路 >

快乐飞艇有什么技巧 逆变电源中的全桥IGBT驱动电路设计

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 15:00

  随着电力电子技术的飞速发展,特别是IGBT和MOSFET等高频自关断元器件应用的日益广泛,驱动电路的设计就显得尤为重要。性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的开关状态,缩短开关时间,降低开关损耗,实现对电力电子器件的过电流保护,对功率变换器的效率、可靠性和安全性具有重要意义。
  目前,国内外推出了针对IGBT的多种驱动模块,如富士公司的EXB841、EXB850系列、三菱公司的M57957~M57963系列、惠普公司的HCPL316J、3120系列、IR公司早期IR2130S等等。其中,前三种驱动模块驱动能力强,对功率器件有过电流保护功能,但体积大、需要提供多路隔离电源,一般采用高频反激式电源或者多路高压隔离DC- DC供电,造成功率模块驱动电路设计复杂,增加了故障点,不利于小型化设计,多用于中大功率IGBT驱动; IR2130S 虽然体积。?捎米跃俟┑,电源简单,但驱动能力小、无VCE(sat)检测保护功能,适合驱动电流为十几个安培的IGBT,无法驱动电流大于50A的IGBT。IR公司推出的新型IGBT驱动集成芯片IR22141,采用自举供电技术、驱动能力强、动态响应快、具有电源欠电压及功率IGBT过电流软关断功能,简化了硬件电路设计,只需几个外围分立元件,就可直接驱动中大功率IGBT,是一种性能优异的新型驱动电路。IR22141体积封装小(SSOP- 24),电源电路设计简单,仅需提供一路+15 V电源,适合于小型便携式逆变器设计。
 
  1驱动模块及其在逆变电源中的应用
  1.1 IR22141驱动模块的功能特点
  IR22141驱动模块具有半桥驱动模式、驱动能力、上/下桥臂高压隔离、VCE(sat)检测保护、变压器一、二次侧电源电压欠电压保护、体积小等特点,特别适合对体积有严格要求的功率逆变场合。其功能结构框图如图1所示。

半桥驱动IR22141原理框图
a 半桥驱动IR22141原理框图
故障“局域网”系统
 b 故障“局域网”系统
图1 IR22141功能结构框图

  图1a 为半桥驱动IR22141原理框图。驱动器接口兼容3.3 VCMOS,可去除高达1.6 V的噪声干扰,同时施密特触发器输入端接下拉电阻,避免在驱动电路单独加电时驱动信号电平不固定导致IGBT非正常导通。对驱动信号整形之后加入死区时间(330 ns),产生上、下桥臂驱动信号。上路信号经过电平转换送入上桥臂驱动逻辑单元,经过后级电流放大驱动上桥臂功率模块; 下路驱动信号直接送入驱动逻辑单元,放大后驱动下桥臂功率器件。
  除具有上述大多数IGBT驱动模块通用的功能外,还具有以下独特的功能。
  (1)小的封装体积和强的驱动能力。IR22141封装为SSOP- 24,体积紧凑,拉/灌电流能力达到+2A/- 3 A。高、低侧驱动引脚设计在芯片的两侧,半桥的上、下侧高压有效地隔离开来,给PCB设计留下足够的爬电距离。
  (2)采取独特的两步法驱动和两步法过电流软关断。两步法驱动有效加速米勒电容充电,改善米勒效应对IGBT导通性能的影响,降低了功率器件开通损耗; 功率模块过电流时,采用两步法软关断技术,有效抑制du/dt、降低EMI。
  (3)独特的系统故障管理功能。如图1B所示,管脚FAULT_SD和SY_FLT为双向输入输出口,当功率器件发生短路时,内部软关断信号起动该路软关断过程,同时触发V0,则SY_FLT变低,发出故障封锁信号。所有IR22141的SY_FLT和FAULT_SD引脚一一对应连接组成“局域网”,此时其他IR22141的SY_FLT就作为输入口使用,变低的SY_FLT通过施密特触发器立即同步封锁各自内部PWM。短路保护迅速有效,是驱动系统反应最迅速的硬件保护电路,可大幅提高系统可靠性。
  (4)电源设计简单。采用自举电源技术,四个分立元件构成高压侧浮动电源,系统只提供一路电源,易于热地设计。同时对上下路电源电压具有欠电压锁定和保护功能,防止电源欠压导致驱动放大级驱动能力不足,开关管工作在放大状态而烧毁。
  (5)接口兼容5 V、3.3 V控制系统,可直接与5 V、3.3 V控制器接口连接,无需电平转换。
 
  1.2在便携式逆变电源中的应用
  便携式柴油发电机逆变电源系统要求体积小、质量轻,所以各部分电路必须特别设计。由于采用电压源型逆变拓扑,直流滤波储能的电解电容较多; 功率器件和输出LC滤波器体积难以减。?虼吮匦朐贗GBT驱动电路、电源电路、接口电路等方面进行小型化设计。基于IR22141以上功能特点,特别是其体积封装小、驱动能力强、接口兼容5 V/3.3V、保护功能全的优点,逆变器功率器件IGBT驱动电路可采用两路IR22141设计。其半桥驱动电路原理如图2所示。供电电源为+15 V; R340、VD308、C321、C322构成自举供电回路,为上管提供浮动电源。J308为上管驱动及保护输出,VD316为上管VCE(sat)探测二极管; J307 为下关驱动及保护输出,VD317为下管VCE(sat)探测二极管,探测二极管均选用BYV26E 超快恢复型高压二极管。稳压管VS13、VS14起到设置VCE(sat)门限值的作用,稳压值不同,门限值不同,本系统选用3V稳压管,门限值为3V。
图2 基于IR22141的半桥驱动电路 
图2 基于IR22141的半桥驱动电路
  便携式逆变电源的总体控制逻辑框图如图3所示,主要由晶闸管整流模块单元、核心控制模块单元、IGBT驱动保护模块单元和逆变输出单元组成。其中,IGBT1、IGBT2由U301(IR22141)驱动,IGBT1由图2中J308 连接驱动,IGBT2由J307 连接驱动,IGBT3、IGBT4由另一路IR22141驱动,线路接法相同。基于IR22141独特的故障保护“局域网”原理,在系统设计的全桥驱动电路中,两路IR22141的SY_FLT和FAULT_SD引脚对应连接。一旦有某一路IGBT发生短路故障,IR22141的故障管理系统立即同步封锁SPWM,同时向控制器送出报警信号。
图3 系统总体控制框图 
图3 系统总体控制框图
  系统核心控制基于Microchip 公司的16 位定点数字控制器dsPIC30F4011设计。该芯片采用16位(数据)改良的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,有卓越的数据处理能力,可进行高速数字信号处理; 支持8路可编程死区的PWM输出; 具有输入捕捉、输出比较模块; 16通道A/D转换器(10位)。因此可减少外围硬件电路,实现逆变电源、电机高精度、高效率控制,且控制灵活,抗干扰能力强,适合于逆变电源系统和电机控制系统的设计。双凸极外转子稀土永磁发电机发出三相高频高压交流电,频率400~550Hz,电压350~500 V,接入电源逆变器。系统采用三相晶闸管整流,得到恒定的DC400 V。晶闸管的触发信号根据采样的直流母线电压值决定,当直流母线低于398 V时,触发信号触发晶闸管导通,该触发信号由核心控制器发出的一路9.77 kHz 固定占空比的PWM波调制发送。同时核心控制器发出四路SPWM脉冲信号,该SPWM信号经过IR22141驱动电路隔离、放大,驱动功率管,最后经输出LC滤波器输出纯正弦工频交流电。系统控制策略采用电压单闭环:齈ID,输出电流采样用于功率计算及过电流保护。控制器采用热地设计,CPU 的PWM信号经过非门缓冲器直接与IR22141连接,无需隔离单元,增强了逆变器可靠性,减小了逆变器体积。
 
  2. 实验结果
  3 kW便携式柴油发电机逆变电源系统采用全桥逆变+SPWM波调制技术,开关频率20kHz。电路参数如下: 直流母线经过晶闸管整流电路稳定在DC400 V,4单元75A/1200V(F4- 75R12MS4)IGBT构成全桥逆变单元。
  IR22141驱动输出波形如图4所示。通道2为IGBT1栅极驱动波形,通道3 为IGBT2栅极驱动波形。经测量,死区时间约1.8μs(其中CPU 编程死区约1.5μs,IR22141自带死区0.33μs),导通电阻33Ω,关断电阻12Ω,过电流关断电阻330Ω。正常关断时间约200 ns,开通时间约1.5μs。由图可以看出,IR22141关断快、导通稍缓,整体波形无毛刺,米勒平台持续时间很短,几乎为零,因此能够有效降低EMI及开关损耗。
图4 上下管IGBT栅极驱动波形 
图4 上下管IGBT栅极驱动波形
 
  VCE(sat)故障保护波形如图5 所示。图5a中,通道1为IGBT1栅极驱动波形,通道2为IGBT2栅极驱动波形,通道3 为IR22141故障封锁信号SY_FLT。当IGBT2管发生过电流时,即DSL探测点电压超过其7V门限值,SY_FLT由高变低,系统封锁驱动输出,起动软关断过程。可以观察到故障时关断波形下降缓慢。图5B为IR22141故障保护“局域网”封锁波形。通道1为IR22141故障输出波形FAULT_SD,通道2为IGBT4栅极驱动波形,通道3为IR22141故障封锁信号。两路IR22141的SY_FLT和FAULT_SD引脚对应连接。当故障封锁信号由高变低,说明IGBT2管发生短路过电流,IR22141通过SY_FLT通知另一路IR22141马上关断其驱动输出,此时IGBT4管刚刚导通,但可以明显看到IGBT4管也进行了缓慢关断,经测量时间约9.6μs。缓关断完成后IR22141的FAULT_SD向核心控制器dsPIC30F4011发出功率模块短路故障报警。此处FAULT_SD波形下降缓慢是由于其开漏极输出端RC滤波常数大造成,调节滤波电容C可以改变故障信号下降时间。软关断结束后,SY_FLT恢复高电平。由实验波形可见,在基于IR22141的故障保护“局域网”系统中,一路SY_FLT由高变低的下降沿会同时触发与此相连的其他路IR22141同时封锁输出,从而能够有效防止相间短路,提高系统可靠性。
图5  VCE(sat)保护 
图5  VCE(sat)保护
  设计中应注意: (1)IR22141半桥驱动电路设计自举电容应选用低ESR的电容,如钽电容,或者采用多个电容并联以达到低ESR; (2)自举二极管选择及VCE(sat)探测二极管应该选择高耐压超快恢复型二极管; (3)PCB设计应采用多层板,合理分配IR22141高低侧的电源、地、驱动信号布局,驱动芯片两侧的隔离驱动信号严格按照各自电压属性走线,特别是输出电压/电流检测回路的走线,注意不要与上管驱动信号走线重叠,避免上管驱动信号干扰电压/电流反馈信号,造成闭环系统不稳定。
 
  3. 结论
  采用基于IR22141的全桥IGBT驱动电路在便携式柴油发电机逆变器中得到了较好的应用,采用热地设计,实现了逆变器的小型化,系统表现出良好的抗噪能力。试验结果表明,该半桥驱动IC较强的驱动能力和先进的保护措施增强了系统可靠性,提高了逆变器效率。




上一篇:英飞凌ED020I12的特性及其在IGBT驱动电路中的应用
下一篇:单管IGBT驱动及保护电路设计与应用