《用于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究.docx（8页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、用于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究 fenghy 导语：介绍有源电力滤波器设计中EXB84l型绝缘栅场效应晶体管IGBT驱动器的驱动原理和电路特点，对IGBT的栅极驱动特性、栅极串联电阻进展了讨论 摘要：介绍有源电力滤波器设计中EXB84l型绝缘栅场效应晶体管IGBT驱动器的驱动原理和电路特点，对IGBT的栅极驱动特性、栅极串联电阻进展了讨论，给出过流保护和过压吸收的有效方法。样机试运行证实此种设计方案可靠、有效。 关键词：有源电力滤波器；IGBT；EXB84l；驱动保护 绝缘栅场效应晶体管IGBT作为一种复合型器件，集成了MOSFET的电压驱动和高开关频率及功率管低损耗、大功率的特点
2、，在电机控制、开关电源、变流装置及很多要求快速、低损耗的领域中有着广泛的应用。本文对应用于有源电力滤波器的IGBT的特性及其专有EXB84l型驱动器的设计进展讨论，并提出一种具有完善保护功能的驱动电路。 有源电力滤波器设计中应用4个IGBT作为开关，并用4个EXB84l组成驱动电路，其原理如图l所示。在实验中，根据补偿电流与指令电流的关系，用数字信号处理器DSP控制PWM引脚的上下电平，并由驱动电路控制IGBT的通断。驱动电路同时对过流故障进展监测，由DSP采取封闭控制信号、停机等处理。 2 驱动电路的设计2.1 驱动电路电源 驱动电路需要4路互相隔离的直流电源为4路IGBT驱动电路供电，用2
3、20V/22V变压器对4路沟通电源分别整流，用电容器和78L24型电压调整器稳压后输出4路24V直流电压，如图2所示。 2.2 栅极电压 IGBT通常采用栅极电压驱动，它对栅极驱动电路有着特殊的要求。栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要足够大，导通时，前沿很陡的栅极电压UGE可以使IGBT快速导通，并减小导通损耗，关断时，其栅极驱动电路要给IGBT提供一个下降很陡的关断电压，并在栅极和发射极之间施加一个适当的反向负偏压，以便使IGBT快速关断，并减小关断损耗。IGBT导通后，栅极的驱动电压和电流要有足够的宽度，以保证IGBT在瞬时过载时未退出饱和区受到损坏。栅极驱动电压推荐值为15 V1.5 V
4、，这个电压值使IGBT完全饱和导通，并使通态损耗减至最小。施加关断负偏压可以抑制C-E间出现du/dt时IGBT的误导通，也可以减少关断损耗。 2.3 门极电阻R1 门极电阻R1的选取对通态电压、开关时间、开关损耗及承受短路的才能都有不同程度的影响。当门极电阻增大时，IGBT的开通和关断时间增加，进而使导通和关断损耗增加。当门极电阻减小时，那么会导致di/dt增加，进而引起IGBT的误导通。所以应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率的不同选择R1的阻值。 Rl的值可以用下式计算： IC为IGBT的集电极电流。如图3所示，一般R1取十几欧姆到几十欧姆，R2为30 。由于IGBT是压控器
5、件，当集-射极间加高压时，很轻易受外界干扰，而使栅-射极间电压超过一定值，引起器件误导通，为了防止这种现象的发生，在栅-射极间并联一电阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 0005 000倍，而且应将它并联在栅-射极最近处。电路中的电容器Cl和C2用来抑制因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是用于电源滤波。 2.4 EXB841驱动环节 笔者在实验中采用的是EXB841型专用IGBT驱动模块，其最高运行频率为40 kHz，输入信号经内部光耦隔离，光隔驱动电流为10 mA，最大延时约为1 s。工作温度范围为-10+85，供电电压为+20 V+25 V。笔者对EXB841功能进展了
6、扩展，图3为驱动环节电路。 EXB841的6引脚连接的二极管可检测IGBT的饱和压降，用来完成过流保护功能，4引脚的过流保护信号延时10s输出。当IGBT有过流时，假设UCE大于7.5V，内部过流保护电路开场动作，软关断IG-BT。通常在IGBT通过额定电流时UCE为3.5 V，当UCE=7.5 V时，IGBT有过流，其值约为额定电流的35倍，但是由于没有到达保护的阈值，保护电路不起作用。假如长时间工作在这种状态，那么会导致IGBT损坏。为了可靠地保护IGBT，应该降低过流保护阈值，可以在D1与IGBT的集电极间反串一个稳压管，或者多串几个与D1同规格的快速恢复二极管。如图3通过反串一个IN4
7、728型3.3 V稳压管使保护阈值降为4.2V。当检测到IGBT过流后，5引脚变为低电平，TPL521型光耦输出低电平，通过与门封闭控制信号输入，同时使4输入与非门输出低电平，触发功率驱动保护中断，完成相应的保护处理。 2.5 控制局部与驱动局部的隔离 控制电路为弱电局部，极易受到干扰；驱动电路直接与外电路连接，是一个较强的干扰源；为了实现整个设备的电磁兼容，控制电路局部必须与驱动局部隔离。为了防止公共电源对控制电路产生干扰，应对控制电路及驱动电路分别供电，EXB84l的电源电压为+20 V，一般控制电路的供电电压为5 V，因此，可以利用图4所示的DC-DC微功率模块进展电源隔离，采用A240
8、5D型微功率模块实现电源的隔离。 3 IGBT及驱动电路的保护3.1 IGBT的过电压保护 IGBT集-射极之间的瞬时过压会对IGBT造成损坏，笔者采用箝位式吸收电路对瞬时过电压进展抑制。当IGBT导通时，由于二极管的作用，电容器的电荷不会被放掉，电容器电压仍为电源电压。IGBT关断时，负载电流仍流过IGBT，直到IGBT集-射极之间电压到达电源电压，续流二极管导通。应用该电路，可以使杂散电感中的能量通过二极管转储到吸收电容器中，而IGBT的集电极电位被箝位在电容电压上，这样就可以抑制IGBT集电极的尖峰电压。吸收电容器的容值可以按公式2选取： 式中，L是引线电感；i是IGBT关断时的电流；U
9、是吸收电容器上的电压过冲。 当吸收回路中的电容器电压高于直流侧电容器上的电压时，通过电阻器向直流侧电容器回送能量，一直到与直流侧电容器的电压相等。当IGBT关断时，线路电感在集电极和发射极二端产生很高的尖峰电压，加上箝位式吸收电路以后，UCE被箝位在电容器电压上，当UCE高于电容器电压时，线路电感的能量被转移到吸收电容器上，当尖峰电压过去以后，吸收电容高于主电容的那局部电压会由于能量回进而到达与主电容相等。这样就抑制了集-射极间的尖峰电压。吸收电容越大，吸收效果越好。由于吸收电容器上过冲的能量大局部被送回到直流侧电容，所以减小了电阻器的功耗。 3.2 消除IGBT集-栅极之间的du/dt 图5
10、所示为EXB841与IGBT栅-射极之间的连接电路原理图。当驱动电路中的V4导通时，IGBT处于正常导通状态，当V5导通时，IGBT栅-射极之间通过稳压管VZ2提供一个-5V电压加在其两端，使IGBT关断，此时V5处于临界导通状态，稳压管VZ2处于反向偏置状态。但由于集-栅极之间分布电容的影响，集-栅极之间的du/dt增大时，其通过分布电容形成的电流经过，所以，要克制集-栅极之间的du/dt，确保稳压管不过压，防止IGBT误导通。克制du/dt的方法有二种：一是驱动电路输出与IGBT栅-射极之间的连线采用双绞屏蔽电缆，屏蔽层接地，二是采用快速吸收电路吸收过电压。 3.3 EXB841的过流保护
11、功能扩展 EXB841自身具有过流保护功能，其保护原理是利用IGBT的集电极通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系。当IGBT工作在正常状态时，EXB841的6脚电位箝制在8 V，内部保护不动作，当IGBT因承受过流而退出饱和状态时，IGBT集-射极间的电压上升很多，与EXB84l的6引脚相连的快速二极管截止，EXB841的6引脚被悬空，内部保护动作，输出驱动电压渐渐下降，实现IGBT的软关断。 在实际应用中，仅靠EXB841的6引脚检测IG-BT集电极电压来实现过流保护并缺乏以有效地保护IGBT，因此有必要在主电路中加接霍尔电流传感器来检测电路中的过流，如图6所示。过流发生后，检测电路检测到
12、电流，延时8s后信号还存在的话。封闭驱动信号以关断IGBT。在图中，霍尔电流传感器假如在主电路中检测到过流信号，其中的PNP三极管将导通，同时，NPN三极管被截止，EXB841的6脚被悬空；当没有过流信号时，PNP三极管不导通，NPN三极管导通，此时电路等效于扩展前的电路。 4 完毕语 本设计应用以上电路对IGBT进展驱动和保护。此驱动电路是在典型驱动电路的根底上进展改良和完善的，并且自行设计了隔离局部和过电流保护扩展局部。此驱动电路相对简单、实用，对被驱动的IGBT有完善的保护才能，输出阻抗低，具有较强的抗干扰性能。 应用这种IGBT模块的有源滤波器的样机通过试验，证实硬件可以协调配合，控制效果稳定、准确，并且已经批量制板。