高壓IGBT模塊驅(qū)動應(yīng)用分析

/龍巖市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所 吳仰興/

高壓IGBT模塊驅(qū)動應(yīng)用分析

/龍巖市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所 吳仰興/

文中闡述了Eupec的IGBT及2ED300C17-ST驅(qū)動保護電路在GGYAj型電除塵用高頻高壓硅整流設(shè)備中的應(yīng)用試驗情況，證明采用IGBT及驅(qū)動保護電路能完全替代原設(shè)備中的IPM智能功率模塊，IGBT與驅(qū)動保護電路應(yīng)用成功不但可降低設(shè)備生產(chǎn)成本，而且為更大功率諧振變換器開發(fā)打下基礎(chǔ)。

IGBT 驅(qū)動保護 諧振變換器

0 引言

電除塵用高頻高壓硅整流設(shè)備，設(shè)備主回路采用的是串聯(lián)諧振電路，主回路示意圖如圖1所示，功率模塊在回路中起到開關(guān)的作用，分為Q1、Q4與Q2、Q3兩組，每一組輪換導(dǎo)通，功率模塊為某進口智能功率模塊IPM，使用該模塊具有如下缺點：該模塊為較早期產(chǎn)品，目前生產(chǎn)數(shù)量少，面臨停產(chǎn)風(fēng)險；該模塊價格較高，購買周期長，導(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)成本明顯增加；驅(qū)動與保護電路集成在模塊內(nèi)部，各項保護參數(shù)均不可調(diào)節(jié)，局限了該模塊在更大容量IGBT變換器中的開發(fā)應(yīng)用。鑒于以上缺點，開發(fā)IGBT及驅(qū)動保護電路來替代目前的IPM。圖1是對高壓IGBT模塊及驅(qū)動保護開發(fā)應(yīng)用的分析。

1 IGBT功率模塊及驅(qū)動器的選取

IGBT功率模塊及驅(qū)動器必須滿足它們在電路中的作用，IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動電流與驅(qū)動功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不需加任何附加接口電路。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓Uge來控制的，當(dāng)Uge大于開啟電壓Uge（th）時IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關(guān)斷。在設(shè)備中IGBT作為開關(guān)器件作用，選取的IGBT本身開通、關(guān)斷速度越快，模塊開關(guān)損耗也將越小。而驅(qū)動器電路選取必須確保IGBT的快速從飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)之間來回變換，使IGBT開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭，另外驅(qū)動器還必須具有完善的保護功能，如對短路、過流、過壓等故障的保護。目前選用Eupec的IGBT功率模塊，型號為BSM400GA120DLCS，相應(yīng)的驅(qū)動器型號為2ED300C17-ST，經(jīng)過各項性能對比測試，參數(shù)均能滿足要求。

圖1 高壓IGBT模塊及驅(qū)動保護開發(fā)應(yīng)用的分析圖

2 2ED300C17-ST/S驅(qū)動器的簡介

2.1 驅(qū)動器外形及管腳功能（見圖2）

圖2 2ED300C17-ST/S驅(qū)動器外形

2ED300C17-ST/S驅(qū)動器，初次級采用脈沖變壓器隔離方式，隔離電壓可達到5000VAC，能同時驅(qū)動兩個IGBT模塊，可提供±15V的驅(qū)動電壓和±30A的峰值電流，能準(zhǔn)確可靠驅(qū)動IGBT，多項性能參數(shù)靈活可調(diào)，同時還具有電源電壓欠壓檢測功能，工作頻率可達60kHz，模塊各個腳功能具體如下表所示。

2.2 2ED300C17-ST/S主要參數(shù)

驅(qū)動器主要極限參數(shù)如下：

供電電壓VDD和 VDC，16V；

輸出功率8W；

輸入輸出隔離電壓：5000VAC 50Hz/ min；

門極峰值電流：±30A；

工作溫度：S -25～80℃ ST -40～80℃；

開關(guān)頻率：60kHz。

驅(qū)動器主要電參數(shù)如下：

開通延時時間Tpd on=670ns；

關(guān)斷延時時間Tpd off=580ns；

最小脈沖抑制時間tmd=400 ns；

轉(zhuǎn)換時間差：tdif=50ns；

占空比d：100%。

2.3 性能特點

雙通道驅(qū)動輸出；

能夠驅(qū)動1200V/1700V Eupec IGBT 器件；

Vcesat 監(jiān)視；

各種故障“軟關(guān)斷”功能；

內(nèi)部變壓器隔離，輸入輸出沒有公共地，符合EN50178的安全隔離保護；

單電源供電內(nèi)部采用DC-DC SMPS；

尖峰電流輸出抑制功能；

直接模式和半橋模式選擇性 “輸出”的功能。

2.4 2ED300C17-ST/S結(jié)構(gòu)圖（見圖3）

表 模塊各個腳功能

圖3 2ED300C17-ST/S內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 試驗應(yīng)用的情況

樣機中主回路由4只型號為BSM400GA120DLCS的Eupec的IGBT功率模塊、2只2ED300C17-ST驅(qū)動器、串聯(lián)諧振電感、串聯(lián)諧振電容、高頻變壓器、并聯(lián)電感構(gòu)成串并聯(lián)混合諧振變換器，通過對樣機型式試驗，證明該諧振變換器能滿足直流供電、脈沖供電工作方式，在閃絡(luò)、短路、過流等工況下各項性能指標(biāo)均能達到要求，設(shè)備運行可靠。如圖4所示。在開發(fā)過程中驅(qū)動器的合理應(yīng)用是個關(guān)鍵，下面將著重介紹2ED300C17-ST驅(qū)動器應(yīng)用情況。

圖4 IGBT試驗臺

3.1 在應(yīng)用2ED300C17-ST驅(qū)動器時的注意事項

柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動電壓增大時，IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減??；但若正向驅(qū)動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨Vge增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞，另外，IGBT開通后驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞，在使用中選Vge=15V。

IGBT快速開通和關(guān)斷有利于減小開關(guān)損耗。但在大電感負載下IGBT的開關(guān)不宜過快，因為高速開通和關(guān)斷時，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

選擇合適的柵極串聯(lián)電阻Rg對IGBT的驅(qū)動來說相當(dāng)重要。Rg較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；Rg較大，有利于抑制dVce/dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。

當(dāng)IGBT關(guān)斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻，驅(qū)動器與柵射連線應(yīng)采用雙絞線并盡可能短（小于20cm）。此外，在實際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負柵壓相同。

驅(qū)動器外圍評估板PCB印制板設(shè)計及固定于IGBT模塊GE之間的接口電路PCB印制板設(shè)計需合理，避免由于電磁耦合引起IGBT模塊誤動作。

3.2 驅(qū)動器工作模式選擇

在方案中驅(qū)動器2ED300C17-ST選用半橋工作模式，半橋模式的啟動方式是把9 管腳“模式選擇”接至VDD（1/2/3 管腳）。這種模式在2ED300C17-S 的兩個通道之間產(chǎn)生了互鎖時間，確?？偸侵挥幸粋€通道工作，就是說如果有一個高電平出現(xiàn)在其中一個通道，這個通道打開，在這段時間如果有高電平信號出現(xiàn)在第二通道，信號將被忽略，直到第一個打開的通道關(guān)掉，這樣就可有效避免橋式電路中上下橋臂短路直通現(xiàn)象。兩個通道開關(guān)之間的轉(zhuǎn)換時間是可以選擇的，可由輸入6 腳CA和8 腳CB 來決定。

3.3 IGBT 短路和過流關(guān)斷SSD“軟關(guān)斷”參數(shù)設(shè)置

通過驅(qū)動器Vce端檢測短路或過電流，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，2ED300C17-S 檢測Vce端的電壓，如果Vce端電壓上升并超出先前設(shè)定的參考電壓，將引起故障觸發(fā)，同時IGBT通過軟關(guān)斷關(guān)閉，其僅由外部的Rsx和Csx來調(diào)節(jié)。Rsx設(shè)定參考電壓，Csx設(shè)定參考時間，電阻和電容連接在RC A 和COM A 之間或RC B 和COM B 之間。

驅(qū)動器中的比較器用來比較Vcesat輸入端電壓和參考電壓Vref。比較器中Vce端的最大電壓為10V，如果在任意時間Vce端電壓超過了參考電壓，將觸發(fā)故障、鎖定驅(qū)動器并且SSD（軟關(guān)斷）關(guān)閉。

當(dāng)故障發(fā)生時，SSD“軟關(guān)斷”可以避免由于高電壓引起IGBT損壞。正確設(shè)定SSD可以改變 IGBT關(guān)斷的電流變化率，器件從而可以承受較高的擊穿電壓。軟關(guān)斷由電阻Rssd設(shè)置，該電阻外接在Sense和-16V之間。IGBT的類型和整個應(yīng)用結(jié)構(gòu)決定關(guān)斷過程和擊穿電壓，電阻Rssd的阻抗由IGBT單元的輸入電容決定。帶有大輸入電容Cies的IGBT 模塊，需要一個小Rssd值，IGBT 單元帶有一個低輸入容量Cies，該單元將需要一個高Rssd值。Rssd的損耗可由下式計算

Pssd= 1024 / R

當(dāng)有故障發(fā)生，軟關(guān)斷被激發(fā)，內(nèi)部輸出電容反向充電，因此IGBT的輸入電容Cies和米勒電容Cres緩慢放電。這個過程限制在tsd=4μs。過了該時間Csx確保不超過這個時間

TP-tsd-tsys= tref

TP為IGBT短路時間10μs，tsd為SSD變換時間5μs，tsys為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時間1μs，tref為參考時間（Vcesat的觸發(fā)抑制時間）。軟關(guān)閉在故障的關(guān)斷期間不是百分之百具有過壓保護功能。如果發(fā)生短路的同時PWM脈沖也進入低電平時，SSD則不能啟動。此時有源箝位將會起到過電壓保護的作用。

4 結(jié)束語

與原采用IPM智能功率模塊的設(shè)備相比較，大大降低設(shè)備成本，每臺設(shè)備直接節(jié)約材料成本約四千元，而且大大縮短了采購周期，目前采用IGBT功率模塊及2ED300C17-ST驅(qū)動器的電除塵用高頻高壓硅整流設(shè)備1.0A樣機已在某電廠成功投運，設(shè)備運行穩(wěn)定，設(shè)備各項性能指標(biāo)不遜于原產(chǎn)品，為更大容量IGBT變換器的開發(fā)奠定了扎實的基礎(chǔ)，使用2ED300C17-ST驅(qū)動器可驅(qū)動多種IGBT功率模塊，提升了產(chǎn)品兼容性、可擴展性，因此，有了目前的IGBT功率模塊及2ED300C17-ST驅(qū)動器開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗，相信會在不久的將來開發(fā)出更大容量的電除塵用高頻高壓硅整流設(shè)備。

［1］ 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華，編.GBT和IPM及其應(yīng)用電路［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［2］ 王增福，李昶，魏永明，編.軟開關(guān)電源原理與應(yīng)用［M］.1版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

ABB在珠海成立機器人公司

2015年8月22日，ABB在珠海宣布，ABB機器人（珠海）有限公司在珠海市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)正式成立。廣東省委常委、珠海市委書記李嘉，珠海市委常委、常務(wù)副市長劉小龍，珠海市委秘書長郭才武，珠海市高新區(qū)黨委書記張宜生等珠海市及高新區(qū)領(lǐng)導(dǎo)出席了開業(yè)典禮。

根據(jù)規(guī)劃，ABB機器人（珠海）有限公司將在廣東、廣西和海南三省開展ABB機器人應(yīng)用開發(fā)、系統(tǒng)集成以及客戶服務(wù)等業(yè)務(wù)，重點滿足華南地區(qū)白色家電、電子制造、汽車和食品飲料等領(lǐng)域?qū)I(yè)機器人快速增長的市場需求。

ABB（中國）有限公司董事長兼總裁顧純元博士表示：“華南地區(qū)是ABB工業(yè)機器人業(yè)務(wù)的重要市場之一。新公司的成立有助于ABB進一步貼近市場，更快、更好地服務(wù)當(dāng)?shù)乜蛻?，全面提升ABB機器人在該地區(qū)的業(yè)務(wù)能力。以工業(yè)機器人為代表的智能技術(shù)是實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑，ABB愿通過開發(fā)和提供可將‘物、人和服務(wù)互聯(lián)’的智能技術(shù)，為客戶創(chuàng)造更多價值?！?/p>

位于華南地區(qū)的珠江三角洲經(jīng)濟區(qū)是具有全球影響力的制造中心以及中國輕工業(yè)最為密集的地區(qū)之一。但是隨著近年來招工難以及土地、原料和人工成本的快速上升，珠三角地區(qū)的制造業(yè)亟需升級轉(zhuǎn)型，提升其市場競爭力。工業(yè)機器人成為解決這一系列挑戰(zhàn)的突破口。