可控型電力電子器件的隔離驅(qū)動

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(西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西西安，710065)

1 引言

電力電子技術(shù)、集成電路制造工藝技術(shù)、微控制器技術(shù)等高速發(fā)展，使得功率電力電子裝置的應用越來越廣泛，如輸配電系統(tǒng)、功率補償裝置、電作動機構(gòu)、變頻電源，其應用遍布空、天、地、海軍用領(lǐng)域，以及工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域[1,2]。隨著寬禁帶半導體技術(shù)的進一步發(fā)展，電力電子器件突破散熱、開關(guān)損耗、開關(guān)延遲等瓶頸之后，其應用領(lǐng)域?qū)玫竭M一步的拓展[3,4]。可控型電力電子器件，能夠讓設(shè)計者通過控制器控制其開通和關(guān)斷工作狀態(tài)，改變主電路的輸出功率，使被控對象的工作狀態(tài)滿足預期的需求，得到廣大電力電子裝置設(shè)計者的青昧。

在電力電子裝置里面，可控型電力電子器件的驅(qū)動信號，是唯一的能夠改變功率輸出的因素[5]。連接驅(qū)動信號的一側(cè)為電力電子器件。相應的電力電子器件置于功率主電路中，承受高電壓、大電流的連續(xù)沖擊。連接驅(qū)動信號的另一側(cè)為微控制器。相應的微控制器及其相應外圍電路屬于弱電范疇。高壓側(cè)的電壓波動，以及PWM斬波控制，會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，對微控制器的程序正常運行產(chǎn)生影響，嚴重時會損壞微控制器。因此在電力電子驅(qū)動電路設(shè)計過程中，往往采用隔離驅(qū)動技術(shù)，使得低壓側(cè)和高壓側(cè)不存在電氣互聯(lián)特性，切斷高壓側(cè)電氣干擾的途徑，以保證微控制器在惡劣電磁環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作，提供電力電子裝置系統(tǒng)的可靠性[6]。

本文在分析可控型電力電子裝置隔離驅(qū)動技術(shù)基礎(chǔ)上，對比了典型隔離驅(qū)動方式的特點，以指導相關(guān)電力電子裝置設(shè)計和電力電子模塊化設(shè)計。

2 可控型電力電子器件驅(qū)動

為提高可控型電力電子器件電路的可靠性，驅(qū)動信號隔離技術(shù)經(jīng)常被采用，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隔離型驅(qū)動電路框圖

可控型電力電子器件驅(qū)動電路中，驅(qū)動信號的產(chǎn)生一般采用微控制器。微控制器的可選類型許多，如單片機、DSP、ARM等。微控制器產(chǎn)生驅(qū)動信號的方式，主要采用閉環(huán)的形式，對比給定信號和反饋信號，結(jié)合系統(tǒng)所采用的控制律，以PWM信號的形式進行輸出。每個可控型電力電子器件對應一路PWM信號。

考慮到PWM斬波控制的對象為高壓信號，且電路中的電磁干擾較為嚴重，隔離芯片經(jīng)常被采用，以提高電路的可靠性。隔離芯片主要用于實現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的電氣隔離。隔離芯片輸入側(cè)和輸出側(cè)的信號，在電源及地線方面不能共用，常通過DC/DC隔離電源模塊，實現(xiàn)電源和地線的電氣不相連。

對于可控型電力電子器件來說，其驅(qū)動信號存在諸多要求，如電壓幅值、上升時間、下降時間等。在實際電路設(shè)計過程中，常采用專用芯片，實現(xiàn)驅(qū)動信號的驅(qū)動放大，以滿足驅(qū)動信號的需求。IR系列的芯片，如IR2103、IR2130等，廣泛應用于可控型電力電子器件的驅(qū)動信號驅(qū)動放大環(huán)節(jié)。

可控型電力電子器件在DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC四種電力電子變換電路中，存在廣泛的應用。依據(jù)被可控的程度，可分為半控型電力電子器件和全控型電力電子器件。前者的典型代表芯片為晶閘管；后者典型代表芯片為MOSFET、IGBT?；诠璧碾娏﹄娮悠骷?，幾乎占據(jù)整個電力電子裝置市場。隨著槽柵、FS、SJ等半導體生產(chǎn)技術(shù)的提升，基于硅的可控型電力電子器件制造技術(shù)，遇到瓶頸。寬禁帶半導體器件在耐壓、過流、開關(guān)速度、散熱等方面的優(yōu)勢，使得該類器件具有較大的發(fā)展空間。國外的Cree、Rohm都有成熟的碳化硅MOSFET的市場產(chǎn)品。

3 隔離驅(qū)動技術(shù)

當前，應用于可控型電力電子裝置的隔離驅(qū)動技術(shù)主要分類三大類：光電隔離、磁隔離、光纖隔離。下面將針對這三種隔離技術(shù)進行對比分析。

3.1 光電隔離技術(shù)

光電隔離技術(shù)主要通過發(fā)光二極管和光敏三極管實現(xiàn)信號的無電氣互聯(lián)特性傳輸，且發(fā)光二極管和光敏三極管集成在同一個芯片中，其原理圖如圖2所示[7,8]。

圖2中，輸入信號為高電平時，發(fā)光二極管D將導通，發(fā)出光源。光敏三極管T接收到發(fā)光二極管D發(fā)出的光之后，使得集電極和發(fā)射極之間導通。整個電路會輸出低電平。輸入信號為低電平時，發(fā)光二極管D將截止，使得光敏三極管T截止。集電極和發(fā)射極之間斷路。借助于上拉電阻R2，整個電路會輸出高電平。電阻R1為限流電阻，用于防止發(fā)光二極管D過流產(chǎn)生損壞。電路設(shè)計過程中，R1和R2電阻值需要設(shè)計者根據(jù)實際信號的需求自行選取。

圖2 光電耦合信號傳輸原理圖

光電隔離技術(shù)具有如下優(yōu)點：

①成本低；

②芯片設(shè)計制造簡單；

③輸入信號的頻率可以高達數(shù)十MHz。

光電隔離技術(shù)具有如下缺點：

①傳輸延遲較大；

②開關(guān)速度較慢，對信號的前沿和后沿產(chǎn)生較大的延時；

③多路應用中，各個光耦器件的參數(shù)需要一致，增加了電路設(shè)計難度。

3.2 磁隔離技術(shù)

磁隔離技術(shù)主要建立在變壓器的初級線圈和次級線圈進行能量傳輸時，無電氣特性相連基礎(chǔ)上上[9,10]。實現(xiàn)磁隔離的主要途徑是采用ADI公司生產(chǎn)的ADUM系列芯片。該系列芯片將CMOS技術(shù)和芯片尺寸變壓器有機結(jié)合起來，其基本原理如圖3所示。圖中的變壓器，是實現(xiàn)信號隔離的核心部件。

圖3 典型磁隔離芯片工作原理

采用磁隔離技術(shù)具有以下特點：

①輸入信號的頻率可以高達百MHz；

②單個芯片可以實現(xiàn)多路信號的隔離，在多個可控型電力電子器件的聯(lián)合控制過程中，具有獨特的優(yōu)勢；

③屬于電壓型器件，外圍電路設(shè)計較簡單。

磁隔離技術(shù)具有如下缺點：

①芯片價格較高；目前主要采用國外的ADUM系列器件實現(xiàn)。

②強磁環(huán)境下應用的可靠性較低。

3.3 光纖隔離技術(shù)

光纖隔離技術(shù)主要通過光纖進行驅(qū)動信號的隔離，由發(fā)射器和接收器兩部分構(gòu)成[11,12]。發(fā)射器和接收器由兩個獨立的部件構(gòu)成，有別于光電耦合器件的接收和發(fā)射在同一部件上。其基本工作原理如圖4所示。

圖4 驅(qū)動信號光纖隔離

圖4所示的這種隔離技術(shù)實現(xiàn)過程中，接收器借助內(nèi)部集成的LED燈，發(fā)出nm量級波長的光波。借助于光纖，光波將會被傳送到接收端。接收器在接收端將光波解碼后，控制可控型電力電子器件的開通和關(guān)斷狀態(tài)。當前，絕大多數(shù)光纖隔離，都采用Agilent公司的產(chǎn)品，如HFBR-1522型發(fā)射器、HFBR-2522型接收器。

光纖隔離技術(shù)主要具有以下優(yōu)點：

①輸入信號的頻率可以高達MHz；

②傳輸距離遠；

③抗電磁干擾性能好；

④隔離電壓較高；

光纖隔離技術(shù)主要具有以下缺點：

①同時實現(xiàn)多個驅(qū)動信號的隔離，所需的外圍部件較多；

②光纖的機械強度較低，使得光纖易損壞；

③光纖接口處理需要特殊的設(shè)備，制作較困難。

3 結(jié)語

可控型電力電子器件驅(qū)動信號的隔離，在電路設(shè)計過程中必須十分重視。從隔離信號處理的原理出發(fā)，對比不同隔離技術(shù)的基本原理、優(yōu)點和缺點，給驅(qū)動信號的設(shè)計提供指導思想。伴隨著智能功率技術(shù)的提升，給驅(qū)動、器件集成化設(shè)計，提供一定的基礎(chǔ)。

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