一種光纖傳導(dǎo)的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

戴 珂，段科威，張樹全，劉 聰

(華中科技大學(xué)應(yīng)用電子系，湖北武漢430074)

0 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是由 BJT(雙極型三極管)和MOSFET(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT具有驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低等優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)控制、開關(guān)電源、變流裝置及許多要求快速、低損耗的領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［1］。本文對(duì)應(yīng)用于有源電力濾波器(APF)的IGBT的特性和使用M57962AL驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，并提出一種利用光纖傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和具有完善保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路。

有源電力濾波器采用三相全橋結(jié)構(gòu)，需要使用6個(gè)IGBT作為開關(guān)，因此用6個(gè)M57962AL組成驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)補(bǔ)償電流與指令電流的關(guān)系，用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制PWM引腳的高低電平，并由驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT的通斷。驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)對(duì)過流故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由集成驅(qū)動(dòng)電路對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行處理，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)整電路傳送給DSP和保護(hù)電路，其中一路經(jīng)由DSP實(shí)行封鎖控制信號(hào)、停機(jī)等軟件保護(hù)，另一路經(jīng)由硬件保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的鎖存和封鎖PWM信號(hào)等保護(hù)。

1 驅(qū)動(dòng)器的選擇

一個(gè)理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能［2］:

(1)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖;

(2)IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出極總處于飽和狀態(tài)，瞬時(shí)過載時(shí)，柵極電路提供的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)而損壞;

(3)能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼螂妷?，一般?15 V;

(4)能向柵極提供足夠的反向電壓，利于IGBT的快速可靠關(guān)斷，大小一般為－10 V左右;

(5)由于IGBT多用于高壓場(chǎng)合，因此驅(qū)動(dòng)電路要有良好的輸入輸出電隔離能力且不影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳輸;

(6)具有柵極限幅電路，保證柵極不被擊穿;

(7)輸入輸出信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)盡可能短;

(8)當(dāng)發(fā)生過流、短路等情況時(shí)能迅速發(fā)出故障信號(hào)傳給控制電路做出處理。

目前，市場(chǎng)上常見的驅(qū)動(dòng)器有日本富士的EXB系列、日本英達(dá)HR、日本三菱M579系列以及美國(guó)的Unitrode公司的UC系列，它們的功能大致相同，但是也有許多不同之處。目前國(guó)內(nèi)流行的EXB841系列不具備定時(shí)邏輯柵壓功能，過流時(shí)若驅(qū)動(dòng)入口信號(hào)消失，則其出口信號(hào)隨之消失而損壞 IGBT，且關(guān)斷負(fù)壓－5 V不夠可靠。HR065的短路保護(hù)穩(wěn)定，但是可靠性能差。

結(jié)合大功率有源電力濾波器(APF)裝置的需求，選擇日本三菱公司的M57962AL驅(qū)動(dòng)器來設(shè)計(jì)電路。

2 IGBT驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路流程圖和設(shè)計(jì)要求

圖1為設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的邏輯圖。DSP發(fā)出的PWM信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)接板后，再通過光纖傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)電路上，然后去驅(qū)動(dòng)APF上的IGBT。如果發(fā)生短路和過流信號(hào)，則通過驅(qū)動(dòng)電路傳導(dǎo)出來經(jīng)過驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板傳給DSP，由DSP做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路流程圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

圖2為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板電路圖。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板的功能就是將從APF控制板中的PWM信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后通過光纖傳導(dǎo)到驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)把驅(qū)動(dòng)板中的故障信號(hào)通過回傳到APF中的控制器。

圖2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板電路圖

如圖3所示為驅(qū)動(dòng)電路板的電路圖。通過光纖傳導(dǎo)過來的信號(hào)輸入到M57962AL的14管腳，故障信號(hào)通過PC817傳輸出去。

(1)驅(qū)動(dòng)電路的 UCC、UEE選擇

由于IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加正向柵壓有關(guān)，在漏電流一定的情況下，正向柵壓增加時(shí)，通態(tài)壓降下降，器件導(dǎo)通損耗減少。但若發(fā)生短路和過流，正向柵壓越高，則電流幅值越大，IGBT越容易損壞，對(duì)集電極額定電流200 A的IGBT來說，UCC選擇+12 V～+15 V比較合適，在這一點(diǎn)，通態(tài)接近飽和值，是IGBT最佳工作點(diǎn)。而為了使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給截止?fàn)顟B(tài)的IGBT外加－10 V的反向柵壓UEE比較合適。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路板電路圖

(2)驅(qū)動(dòng)電源的電源設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的輸出端通常接高壓大電流電路，為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路中低壓電路和高壓電路兩邊的電路隔離，采用了專門的電源模塊對(duì)M57962AL的開通電壓UCC和關(guān)斷電壓UEE供電，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電的隔離。

(3)柵極電阻R2的選擇

柵極驅(qū)動(dòng)電阻的取值非常重要，適當(dāng)數(shù)值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開關(guān)開通時(shí)間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。從安全可靠性角度來說，應(yīng)當(dāng)取較大的柵極電阻，但是，較大的柵極電阻影響開關(guān)速度、增加開關(guān)損耗。從提高工作頻率角度，應(yīng)當(dāng)取較小的柵極電阻。一般情況下，可靠性是第一位的，因此使用中傾向于取較大值的電阻。通過實(shí)驗(yàn)確定柵極電阻的最佳值。由實(shí)驗(yàn)所測(cè)比較合適的值是10 Ω。

(4)電容C3的選擇

M57962AL對(duì)保護(hù)檢測(cè)時(shí)間的調(diào)整可以通過其2管腳和4管腳之間的電容大小來調(diào)整，應(yīng)用很靈活，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。若2管腳懸空，短路保護(hù)檢測(cè)時(shí)間為2.6 μs，保護(hù)動(dòng)作太靈敏，容易引起誤動(dòng)作。為此，通過在2、4管腳之間接上一個(gè)電容C3來調(diào)節(jié)保護(hù)時(shí)間，選取1 000 pF電容時(shí)的保護(hù)時(shí)間大約為3 μs，若保護(hù)仍然過于敏感，則可選取3 000 pF的電容，此時(shí)的保護(hù)時(shí)間約為 5.6 μs。

(5)故障信號(hào)的傳輸

本實(shí)驗(yàn)采用快速光耦PC817傳輸短路和過電流故障信號(hào)，如果有更高的要求可以采用光纖對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行傳導(dǎo)。

2.3 光纖信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)

光纖光纜是由玻璃或塑料制成，所以光纖連接發(fā)射器和接收器之間無(wú)直接的電氣連接，這有助于減輕環(huán)路噪聲問題，并能隔離電壓，以防止相互干擾，不產(chǎn)生附加輻射，對(duì)EMI不敏感。所以在驅(qū)動(dòng)和控制電路之間用光纖能精確地傳導(dǎo)PWM信號(hào)，不僅解決了功率電路和控制電路之間的強(qiáng)弱電的隔離，抗電磁干擾問題，而且還能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。光纖的另外一個(gè)特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)高速傳送，減少傳輸時(shí)延，光信號(hào)傳輸?shù)囊话阍砣鐖D4所示。

圖4 光纖傳送原理圖

在傳輸方面，當(dāng)采用單脈沖和兩個(gè)周期數(shù)據(jù)傳送測(cè)試，輸入信號(hào)頻率f=2.5 MHz時(shí)的數(shù)據(jù)延時(shí)為160 ns;f為 2 MHz 時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸約為 180 ns［3］，在所用裝置中APF的輸出PWM頻率為9.6 kHz時(shí)，延時(shí)完全滿足所設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)的要求。

光發(fā)射器和接受器分別采用Agilent公司的HFBR－1521光發(fā)射器和HFBR－2521光接收器，這個(gè)組合可實(shí)現(xiàn)DC～10 MHz數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳送，而且在電流合適的情況下，可傳送幾十米遠(yuǎn)。

光纖傳輸信號(hào)的最遠(yuǎn)距離和傳輸速率有很大的關(guān)系，40 kbit/s時(shí)，可傳輸120 m，5 Mbit/s時(shí)，可傳輸20 m。

3 實(shí)驗(yàn)波形

經(jīng)過實(shí)際的波形測(cè)量，在圖5、6中通道1為光纖發(fā)射頭前的波形曲線，通道2為光纖接收頭后的波形曲線。由這兩個(gè)圖的波形分析得知光纖傳輸系統(tǒng)的延時(shí)為大約120 ns，并且在圖6給出了在光纖發(fā)射頭前和接收頭后的波形，可以看出這組波形是反向的。

圖5 光纖的延時(shí)測(cè)量波形

在圖7中通道1所示為從APF中輸出給驅(qū)動(dòng)的波形，通道2為驅(qū)動(dòng)電路輸出的波形。由圖7波形分析得知，APF控制板輸出到最后輸出給IGBT的波形延時(shí)500 ns，在設(shè)計(jì)要求延時(shí)范圍內(nèi)。

圖6 光纖發(fā)射頭前波形和光纖接收頭后波形

圖7 驅(qū)動(dòng)輸入和輸出波形

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

性能優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)電路，是有源濾波器(APF)等含有大功率開關(guān)管裝置正常工作的保證。通過實(shí)驗(yàn)可以看到，光纖傳輸PWM信號(hào)不僅失真小、延時(shí)小，而且從根本上消除了主電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的干擾，還能保證長(zhǎng)距離傳輸。所設(shè)計(jì)的基于光纖傳導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)電路性能可靠、符合要求，具有一定的實(shí)用意義。

［1］陳 堅(jiān).電力電子學(xué)第二版［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002.

［3］Wang L M，Lorenz R D.Rotor Position Estimation for Permanent Magnet Synchronous Motor using Saliency tracking Self-sensing Method［C］.Proceed of IEEE IAS 2000 Annual Meeting.Rome，Italy:IEEE 2000:445-450.