基于光纖傳導(dǎo)的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

共同成長888 2017-05-10

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基于光纖傳導(dǎo)的IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

作者：海飛樂技術(shù) 時間：2017-04-28 10:59

1. 引言
  IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(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。IGBT具有驅(qū)動功率小而飽和壓降低等優(yōu)點，在電機控制、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)用田。本文對應(yīng)用于有源電力濾波器(APF)的IGBT的特性和使用M57962AL驅(qū)動器的設(shè)計進行討論，并提出一種利用光纖傳導(dǎo)驅(qū)動信號和具有完善保護功能的驅(qū)動電路。
  有源電力濾波器采用三相全橋結(jié)構(gòu)，需要使用6個IGBT作為開關(guān)，因此用6個M57962AL組成驅(qū)動電路。在實驗中，根據(jù)補償電流與指令電流的關(guān)系，用數(shù)字信號處理器(DSP)控制PWM引腳的高低電平，井由驅(qū)動電路控制IGBT的通斷。驅(qū)動電路同時對過流故障進行監(jiān)測，由集成驅(qū)動電路對故障信號進行處理，然后經(jīng)信號調(diào)整電路傳送給DSP和保護電路，其中一路經(jīng)由DSP實行封鎖控制信號、停機等軟件保護，另一路經(jīng)由硬件保護電路實現(xiàn)故障信號的鎖存和封鎖PWM信號等保護。

  2. 驅(qū)動器的選擇
  一個理想的IGBT驅(qū)動電路應(yīng)具有以下基本性能：
  (1)動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭的后沿的驅(qū)動脈沖；
  (2)IGBT導(dǎo)通后，柵極移動電路提供給IGBT驅(qū)動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)，瞬時過載時，柵極電路提供的驅(qū)動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)而損壞；
  (3)能向IGBT提供適當?shù)恼螂妷?，一般?15V；
  (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-10V左右；
  (5)由于IGBT多用于高壓場合，因此驅(qū)動電路要有良好的輸入輸出電隔離能力且不影響驅(qū)動信號的傳輸；
  (6)具有柵極限幅電路，保證柵極不被擊穿；
  (7)輸入輸出信號傳輸?shù)难訒r盡可能短；
  (8)當發(fā)生過流、短路等情況時能迅速發(fā)出故障信號傳給控制電路做出處理。
  目前，市場上常見的驅(qū)動器有日本富士的EXB系列、日本英達HR、日本三菱M579系列以及美國的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。目前國內(nèi)流行的EXB841系列不具備定時邏輯柵壓功能，過流時若驅(qū)動入口信號消失，則其出口信號隨之消失而損壞IGBT，且關(guān)斷負壓-5 V不夠可靠，HR065的短路保護穩(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)動器來設(shè)計電路。

  3. IGBT驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)
  3.1 驅(qū)動電路流程圖和設(shè)計要求
  圖1為設(shè)計的驅(qū)動電路的邏輯圖，DSP發(fā)出的PWM信號經(jīng)過轉(zhuǎn)接板后，再通過光纖傳導(dǎo)到驅(qū)動電路上，然后去驅(qū)動APF上的lGBT。如果發(fā)生短路和過流信號，則通過驅(qū)動電路傳導(dǎo)出來經(jīng)過驅(qū)動轉(zhuǎn)接板傳給DSP，由DSP做出相應(yīng)的保護動作。

圖1 驅(qū)動電路流程圖

  3.2 驅(qū)動電路的實現(xiàn)
  圖2為驅(qū)動轉(zhuǎn)接板電路圖。驅(qū)動轉(zhuǎn)接板的功能就是將從APF控制板中的PWM信號進行轉(zhuǎn)換，然后通過光纖傳導(dǎo)到驅(qū)動板，同時把驅(qū)動板中的故障信號通過回傳到APF中的控制器。

圖2 驅(qū)動轉(zhuǎn)接板電路圖

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

圖3 驅(qū)動電路板電路圖

  (1)驅(qū)動電路的U_CC、U_EE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，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，對集電極額定電流200A的IGBT來說，U_CC選擇+12V～+15V比較合適，在這一點，通態(tài)接近飽和值，是IGBT最佳工作點。而為了使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給截止狀態(tài)的IGBT外加－10V的反向柵壓U_EE比較合適。
  (2)驅(qū)動電源的電源設(shè)計
  驅(qū)動電路的輸出端通常接高壓大電流電路，為了實現(xiàn)驅(qū)動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M57962AL的開通電壓UCC和關(guān)斷電壓UEE供電，實現(xiàn)強弱電的隔離。
  (3)柵極電阻R₂的選擇
  柵極驅(qū)動電阻的取值非常重要，適當數(shù)值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開關(guān)開通時間、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。通過實驗確定柵極電阻的最佳值。由實驗所測比較合適的值是10Ω。
  (4)電容C₃的選擇
  M57962AL對保護檢測時間的調(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)實際情況設(shè)置。若2管腳懸空，短路保護檢測時間為2.6μs，保護動作太靈敏，容易引起誤動作。為此，通過在2、4管腳之間接上一個電容C3來調(diào)節(jié)保護時間，選取1000pF電容時的保護時間大約為3μs，若保護仍然過于敏感，則可選取3000pF的電容，此時的保護時間約為5．6μs。
  (5)故障信號的傳輸
  本實驗采用快速光耦PC817傳輸短路和過電流故障信號，如果有更高的要求可以采用光纖對故障信號進行傳導(dǎo)。

  3.3 光纖信號傳輸?shù)脑O(shè)計
  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EMI不敏感。所以在驅(qū)動和控制電路之間用光纖能精確地傳導(dǎo)PWM信號，不僅解決了功率電路和控制電路之間的強弱電的隔離，抗電磁干擾問題，而且還能實現(xiàn)驅(qū)動信號的遠距離傳輸。光纖的另外一個特點是可以實現(xiàn)信號高速傳送，減少傳輸時延，光信號傳輸?shù)囊话阍砣鐖D4所示。

圖4 光纖傳送原理圖

  在傳輸方面，當采用單脈沖和兩個周期數(shù)據(jù)傳送測試，輸入信號頻率f=2.5MHz時的數(shù)據(jù)延時為160ns；f為2MHz時的數(shù)據(jù)傳輸約為180ns，在所用裝置中APF的輸出PWM頻率為9.6kHz時，延時完全滿足所設(shè)計IGBT驅(qū)動的要求。
  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，這個組合可實現(xiàn)DC～10MHz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。
  光纖傳輸信號的最遠距離和傳輸速率有很大的關(guān)系，40kbit/s時，可傳輸120m，5Mbit/s時，可傳輸20m。

  4. 實驗波形
  經(jīng)過實際的波形測量，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。由這兩個圖的波形分析得知光纖傳輸系統(tǒng)的延時為大約120ns，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 光纖的延時測量波形	圖6 光纖發(fā)射頭前波形和光纖接收頭后波形

在圖7中通道1所示為從APF中輸出給驅(qū)動的波形，通道2為驅(qū)動電路輸出的波形。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500ns，在設(shè)計要求延時范圍內(nèi)。

圖7 驅(qū)動輸入和輸出波形

5. 實驗結(jié)論
性能優(yōu)越的驅(qū)動電路，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。通過實驗可以看到，光纖傳輸PWM信號不僅失真小、延時小，而且從根本上消除了主電路對驅(qū)動電路的干擾，還能保證長距離傳輸。所設(shè)計的基于光纖傳導(dǎo)的驅(qū)動電路性能可靠、符合要求，具有一定的實用意義。

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