IGBT的光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)在中壓大功率SRD中的應(yīng)用

丁金龍,高超,閆志平,安東華

(北京中紡銳力機(jī)電有限公司,北京 101102)

1 引言

自開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)(switched reluctance drive,SRD)問(wèn)世以來(lái),因其具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,啟動(dòng)電流小,適于頻繁啟停和正反轉(zhuǎn)等特性,被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。隨著電壓控制型電力電子器件,特別是IGBT單模塊器件的電壓越做越高,電流越做越大,使大功率SRD技術(shù)的應(yīng)用迅速發(fā)展,如煤礦井下皮帶等運(yùn)輸設(shè)備中。SRD功率的增大,驅(qū)動(dòng)耐壓等級(jí)的提高,必然引起電磁干擾的增強(qiáng),為此,必須加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力,光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)的使用為解決這一問(wèn)題提供了方案。

2 SRD簡(jiǎn)介

2.1 基本組成

通常情況下,SRD分為電機(jī)和控制器兩部分。電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和傳感器構(gòu)成[1];控制器主要由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電源、功率電路組成。如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)Fig.1 Switched reluctance drive

2.2 中壓大功率SRD發(fā)展[2,3]

由于SRD系統(tǒng)性能優(yōu)良,實(shí)現(xiàn)了重型設(shè)備的重載軟啟動(dòng)及大范圍調(diào)速,使它在煤礦等大型工礦企業(yè)的重型設(shè)備中存在著廣泛的應(yīng)用市場(chǎng),特別是280 kW以上功率等級(jí)的應(yīng)用,既減小設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的沖擊,又提高企業(yè)生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本。

大功率SRD的發(fā)展是功率電路容量的擴(kuò)展,主要依賴(lài)于大功率電力電子器件的發(fā)展以及功率元件串并聯(lián)技術(shù)的提高。隨著功率等級(jí)的提高,高壓、大電流帶來(lái)的電磁兼容問(wèn)題,成為系統(tǒng)可靠性的第一殺手,因此如何減小功率電路與控制電路之間的耦合,保證控制電路安全可靠運(yùn)行,進(jìn)而提高整個(gè)SRD系統(tǒng)的EMI性能,是中壓大功率SRD發(fā)展需要解決的首要問(wèn)題。所有這些都迫使我們對(duì)SRD的功率電路的驅(qū)動(dòng)和隔離方法進(jìn)行重新思考。

3 SRD的驅(qū)動(dòng)電路分析

不同功率等級(jí)的IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求不盡相同,表1給出了SRD功率電路目前常用的幾種驅(qū)動(dòng)方式。

表1 驅(qū)動(dòng)方式的比較Tab.1 Comparison of drive mode

1)直接驅(qū)動(dòng)。僅適用于小功率中,通常推動(dòng)電源與控制電源沒(méi)有隔離,如驅(qū)動(dòng)MOSFET。

2)光耦隔離方式驅(qū)動(dòng)電路。具有較好的性?xún)r(jià)比,以EXB841為例,由于其價(jià)格便宜、體積小、輕薄且對(duì)IGBT具有短路保護(hù)和軟關(guān)斷功能,被大量應(yīng)用于中小功率SRD系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制中。但由于其內(nèi)部隔離耐壓有限,考慮到可靠性,一般只應(yīng)用于380V以下的調(diào)速系統(tǒng)中。

3)變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式。能實(shí)現(xiàn)控制電源與功率電源電氣上的完全隔離,非常適合應(yīng)用在380V以上的系統(tǒng)中,可以使隔離電壓達(dá)到4 000 V。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)器功率進(jìn)一步提高時(shí),IGBT的工作電流增大,大的di/dt與功率電路母線(xiàn)雜散電感產(chǎn)生的過(guò)電壓,以及IGBT開(kāi)通、關(guān)斷產(chǎn)生的高頻dv/dt,通過(guò)結(jié)電容,耦合到門(mén)級(jí),影響IGBT工作;并且因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)采用的是變壓器隔離,繞組間具有磁路耦合,可能存在分布電容,會(huì)導(dǎo)致高壓側(cè)的高頻干擾信號(hào)耦合到控制回路,影響控制電路正常工作;同時(shí)從驅(qū)動(dòng)板至IGBT的引線(xiàn)較長(zhǎng),功率電路產(chǎn)生的空間電磁干擾也可能威脅到驅(qū)動(dòng)電路的正常工作。

4)光纖隔離驅(qū)動(dòng)。是光耦隔離技術(shù)的一種延伸,光纖的采用,使控制電路遠(yuǎn)離功率電路,且不存在直接電氣關(guān)系,在4 000 V以上的系統(tǒng)中,光纖驅(qū)動(dòng)板可以與IGBT就近安裝結(jié)合成為一個(gè)整體,減少引線(xiàn)長(zhǎng)度,從而大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

由于大功率電力變換裝置需要隔離電壓,考慮系統(tǒng)整體的抗干擾能力,在大功率SRD驅(qū)動(dòng)電路中,光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)為最佳使用選擇。

4 SRD中光纖元件選取原則

4.1 收發(fā)器的選用

大部分光纖收發(fā)器工作原理如圖2、圖3所示。

圖2 發(fā)送電路Fig.2 T ransmitting circuit

圖3 接收電路Fig.3 Receiving circuit

IGBT的開(kāi)關(guān)頻率一般在20 kHz左右,大功率SRD控制系統(tǒng)中,斬波頻率一般控制在10 kHz以下,因此,控制板與大功率模塊驅(qū)動(dòng)板之間傳輸速率在1～5 MB/s的光纖收發(fā)器在驅(qū)動(dòng)控制電路中使用較多。

4.2 發(fā)送方式的選用

發(fā)送電路中,有2種可供選擇的發(fā)送方式,如圖4所示,其主要性能區(qū)別如下:

方式1為串聯(lián)結(jié)構(gòu),常用于1 MB/s以下系統(tǒng)中,延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng),其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電源的功耗較低;

方式2為并聯(lián)結(jié)構(gòu),適用于5 MB/s或頻率響應(yīng)要求更高的場(chǎng)合,其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度快,但驅(qū)動(dòng)電源始終是導(dǎo)通的,功耗較高。

以上兩種發(fā)送方式均滿(mǎn)足中壓大功率SRD的斬波頻率技術(shù)要求,但考慮節(jié)能和有效利用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)接口,在中壓大功率SRD系統(tǒng)中,方式1是最理想的發(fā)送電路應(yīng)用方案。

圖4 發(fā)送方式Fig.4 Transmitting mode

4.3 光纖的選用

針對(duì)上述光纖收發(fā)器及發(fā)送方式,可選用直徑1 mm,帶塑膠外套的光纖系列產(chǎn)品。其特點(diǎn)是具有較好的抗拉、抗彎折性能。根據(jù)使用場(chǎng)合不同,一般有2個(gè)等級(jí)供用戶(hù)選擇,低成本型(low cost standard POF),典型衰減倍數(shù)為0.22 dB/m;低損耗型(performance extra low loss POF),其典型衰減倍數(shù)為0.19 dB/m。

在驅(qū)動(dòng)控制中,一般控制距離在5m以?xún)?nèi),所以由傳輸距離導(dǎo)致信號(hào)衰減的發(fā)生頻率不高,選用低成本型即可。

為了獲得良好的電磁兼容性能,光纖的長(zhǎng)度一般為2 m。

根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境不同,應(yīng)選用不同形式的光纖/連接器進(jìn)行組合,以滿(mǎn)足特殊要求。

除了拉力和距離以外,光纖使用中還需注意彎曲半徑。一般短時(shí)工作情況下,彎曲半徑不小于25 mm;長(zhǎng)時(shí)間(超過(guò)30 min)工作,為保證光纖的傳輸性能,彎曲半徑應(yīng)控制在35 mm以上。

5 具體應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)電路

第1代大功率SRD系統(tǒng)中,驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)變壓器隔離后直接輸送到IGBT上,沒(méi)有光纖的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),信號(hào)抗干擾性差,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

應(yīng)用光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新一代中壓大功率SRD系統(tǒng)中,控制電路產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào),此信號(hào)由光纖上的收發(fā)器進(jìn)行“電-光-電”轉(zhuǎn)換后,經(jīng)光纖傳輸?shù)焦饫w驅(qū)動(dòng)板上,進(jìn)行放大處理后,驅(qū)動(dòng)IGBT工作;同時(shí),光纖驅(qū)動(dòng)板上IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)狀態(tài),再通過(guò)光纖,實(shí)時(shí)反饋給控制電路。由于直接用螺釘將光纖驅(qū)動(dòng)板安裝在IGBT上,使IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)在最短的線(xiàn)路上進(jìn)行傳輸,大大降低了電磁干擾的幾率,使控制電路能更準(zhǔn)確地判斷、控制IGBT的工作狀態(tài),從而保證了系統(tǒng)整體穩(wěn)定工作。系統(tǒng)電路圖如圖5所示。

5.2 SRD光纖驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)

應(yīng)用了光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路,在開(kāi)關(guān)電源隔離能力、短路保護(hù)快速響應(yīng)等方面,都優(yōu)于第1代大功率SRD系統(tǒng),其特點(diǎn)如下:

1)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)引線(xiàn)短,抗干擾強(qiáng);

圖5 應(yīng)用光纖隔離驅(qū)動(dòng)的SRD系統(tǒng)電路圖Fig.5 SRD system circuit diagram using optical fiber isolation drive

2)開(kāi)關(guān)電源隔離耐壓值高。隔離耐壓可達(dá)6 000 V,遠(yuǎn)高于第1代SRD系統(tǒng);

3)自動(dòng)鉗位功能[4]。IGBT關(guān)斷產(chǎn)生過(guò)電壓時(shí),對(duì)門(mén)極瞬時(shí)施以導(dǎo)通信號(hào),釋放可能威脅IGBT安全的瞬時(shí)高壓。IGBT關(guān)斷速度更快,損耗小;

4)短路保護(hù)快速響應(yīng)功能。8.5 μ s內(nèi)實(shí)現(xiàn)IGBT關(guān)斷,防止IGBT過(guò)流燒毀;

5)短路時(shí),提供2種IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的處理方式[4];

6)光纖返回IGBT狀態(tài)信號(hào)。

5.3 性能測(cè)試

系統(tǒng)空載情況下,對(duì)應(yīng)用了光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)的SRD功率電路,進(jìn)行工作狀態(tài)測(cè)試。

1)正常驅(qū)動(dòng)。光纖驅(qū)動(dòng)電路即傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào),又返回IGBT狀態(tài)信號(hào),正常驅(qū)動(dòng)時(shí),在IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿和下降沿,返回一個(gè)900 ns的脈沖信號(hào),即IGBT的“狀態(tài)反饋信號(hào)”,此信號(hào)表明控制器開(kāi)通、關(guān)斷操作成功;控制電路接收到這個(gè)“狀態(tài)反饋信號(hào)”后,開(kāi)始組織進(jìn)行下一步操作。IGBT的“門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)”波形和“狀態(tài)反饋信號(hào)”波形,如圖6所示。

第1代SRD系統(tǒng)中,沒(méi)有“狀態(tài)返回”信號(hào),增加了電路誤操作幾率。

2)短路保護(hù)時(shí),驅(qū)動(dòng)信號(hào)的處理方式。發(fā)生短路時(shí),驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)IGBT門(mén)極的關(guān)斷處理方式取決于功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接關(guān)斷IGBT;三級(jí)和多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,采用分級(jí)關(guān)斷方式,由控制電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)反饋的情況,決定級(jí)聯(lián)IGBT的關(guān)斷順序。

應(yīng)用了光纖的驅(qū)動(dòng)電路,給出2種處理方式,“2-level模式”和“3-level模式”。

“3-level模式”對(duì)應(yīng)三級(jí)和多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先驅(qū)動(dòng)信號(hào)第1個(gè)邊沿反饋回900 ns寬的小脈沖,表明正常開(kāi)通。短路保護(hù)后,約8.5 μ s,“門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)”仍跟隨“PWM 信號(hào)”維持原狀態(tài),而“狀態(tài)返回信號(hào)”則跳轉(zhuǎn)為高電平,通知控制電路需要順序關(guān)斷IGBT,如圖7所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)信號(hào)短路保護(hù)的3-level模式Fig.7 3-level mode of short circuit protection used in driving signal

“2-level模式”對(duì)應(yīng)二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。短路保護(hù)后,門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接關(guān)斷IGBT,狀態(tài)返回信號(hào)維持高電平約1s。目前應(yīng)用的SRD系統(tǒng)功率電路,常采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以,短路時(shí),驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)IGBT采用直接關(guān)斷的處理方式,實(shí)測(cè)波形如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)信號(hào)短路保護(hù)的2-level模式Fig.8 2-level mode of short circuit protection used in driving signal

5.4 系統(tǒng)型式試驗(yàn)

負(fù)載情況下,應(yīng)用了光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)的400kW/1 140V SRD系統(tǒng),進(jìn)行了嚴(yán)格的型式試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目如下。

1)電磁兼容試驗(yàn)。對(duì)控制電源分別施加2 000 V浪涌和5 kHz的電快速脈沖群干擾,控制器驅(qū)動(dòng)電路工作正常;施加2 500 V電快速脈沖群干擾,控制電源斷電保護(hù),系統(tǒng)停機(jī),重新上電后,系統(tǒng)正常工作。運(yùn)行中,控制電源斷電保護(hù)未對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)造成影響,IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)波形見(jiàn)圖9。

圖9 負(fù)載狀態(tài)下門(mén)極驅(qū)動(dòng)波形Fig.9 Gate driving waves with load

2)過(guò)載 1.2倍的大功率負(fù)載、溫升試驗(yàn)。IGBT峰值電流500 A時(shí),關(guān)斷邊沿產(chǎn)生的過(guò)電壓為184 V,此時(shí)直流母線(xiàn)電壓為1.43 kV,IGBT沒(méi)有發(fā)生誤導(dǎo)通。運(yùn)行狀態(tài)良好,沒(méi)有發(fā)生電磁干擾危害控制電路正常工作的情況。IGBT關(guān)斷波形如圖10所示。

3)大負(fù)載,單脈沖工作測(cè)試。大電流情況下,控制板工作正常。檢測(cè)到的電流變化平穩(wěn),無(wú)毛刺,無(wú)干擾。IGBT的電流連續(xù)波形如圖11所示。

圖10 IGBT關(guān)斷波形Fig.10 The turn off wave of IGBT

圖11 IGBT電流波形Fig.11 The current wave of IGBT

4)系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)48 h的高溫濕熱試驗(yàn)(溫度60℃,濕度95%RH)。絕緣狀態(tài)良好,重新上電后系統(tǒng)工作正常。試驗(yàn)結(jié)果表明,光纖驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以應(yīng)用于條件比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

5)將控制器的相輸出直接短接,進(jìn)行IGBT的短路保護(hù)試驗(yàn)。結(jié)果表明,保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確、及時(shí),用示波器監(jiān)測(cè)短路瞬間IGBT的關(guān)斷波形,沒(méi)出現(xiàn)電壓尖峰及高頻震蕩,IGBT工作狀態(tài)良好。

6 結(jié)論

綜上,在中壓大功率SRD系統(tǒng)中,通過(guò)引入光纖隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù),控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了光電隔離,杜絕了干擾問(wèn)題,既實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制,又監(jiān)測(cè)了IGBT的工作狀態(tài),大大提高了SRD系統(tǒng)工作可靠性。目前,已有兩套應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)的SRD產(chǎn)品,在礦用快速裝車(chē)系統(tǒng)中持續(xù)運(yùn)行1 a以上,用戶(hù)反映工作狀況良好。

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[2]胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

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