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1、E l e c t r i c We l d i n gM a c h i n e摘要:介绍了一种高性能、高压集成新型半桥I G B T驱动电路。该驱动模块内部集成两路独立驱动和独特的故障“局域网”保护电路,驱动能力强,体积封装小,易于逆变器的小型化设计,并介绍了该驱动模块在便携式柴油发电机逆变电源中的应用,讨论了设计中应注意的问题。实验结果证明,该驱动电路结构简单,性能优越,能够实现对I G B T的可靠驱动和保护。关键词:半桥驱动;I G B T;故障“局域网”;逆变电源中图分类号:T G 4 3 4.1;T M 9 2 1.5文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 3 0 3(2 0
2、 0 7)1 1-0 0 4 9-0 4第3 7卷第1 1期2 0 0 7年1 1月V o l.3 7N o.1 1N o v.2 0 0 7E l e c t r i c We l d i n g M a c h i n e王富洲,张海南(西北工业大学 机电学院,陕西 西安7 1 0 0 7 2)N o v e l h a l f-b r i d g e d r i v e c i r c u i t a p p l i e di nI G B Tmo d u l eWA N GF u-z h o u,Z H A N GH a i-n a n(C o l l e g e o f M a c
3、h i n e r y a n dE l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g,N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y,X i Xa n7 1 0 0 7 2,C h i n a)A b s t r a c t:A h i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g hv o l t a g eh a l f-b r i d g en o v e lI G B Td r i v e rc i r c u i ti sd e s c
4、 r i b e di nt h i sp a p e r.T h em o d u l ei n t e g r a t e sd u a li n s u l a t e dd r i v i n ga n ds p e c i a lp r o t e c t i o nc i r c u i t s.I th a sh i g hp u s h-p u l ld r i v i n gc a p a b i l i t y,b o o t s t r a pp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g ya n di s e a s yf o r m i
5、n i a t u r ed e s i g no f i n v e r t e r.T h ep a p e r a l s oi n t r o d u c e s t h ea p p l i c a t i o ni np o r t a b l ed i e s e l e n g i n eg e n e r a t o ri n v e r t e r a n dd i s c u s s e ss o m ea t t e n t i o ni t e m si np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n.E x p e r i m e
6、n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h i sd r i v i n gm o d u l eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e a n dc a nr e l i a b l y d r i v e a n dp r o t e c t I G B T.K e y w o r d s:h a l f-b r i d g e d r i v e r;I G B T;f a u l t l o c a l n e t w o r k;i n v e r t e r收稿日期:2 0 0 7-0 6-1 6基金项目:西北
7、工业大学研究生创业种子基金资助项目(Z 20 0 6 1 7)作者简介:王富洲(1 9 7 5),男,陕西人,在读硕士,主要从事电机控制、电力电子技术的研究工作。0前言随着电力电子技术的飞速发展,特别是I G B T和M O S F E T等高频自关断元器件应用的日益广泛,驱动电路的设计就显得尤为重要。性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的开关状态,缩短开关时间,降低开关损耗,实现对电力电子器件的过电流保护,对功率变换器的效率、可靠性和安全性具有重要意义 1-2。目前,国内外推出了针对I G B T的多种驱动模块,如富士公司的E X B 8 4 1、E X B 8 5 0系列、三菱
8、公司的M 5 7 9 5 7 M 5 7 9 6 3系列、惠普公司的H C P L 3 1 6 J、3 1 2 0系列、I R公司早期I R 2 1 3 0 S等等。其中,前三种驱动模块驱动能力强,对功率器件有过电流保护功能,但体积大、需要提供多路隔离电源,一般采用高频反激式电源或者多路高压隔离D C-D C供电,造成功率模块驱动电路设计复杂,增加了故障点,不利于小型化设计,多用于中大功率I G B T驱动;I R 2 1 3 0 S虽然体积小,采用自举供电,电源简单,但驱动能力小、无V C E(s a t)检测保护功能,适合驱动电流为十几个安培的I G B T,无法驱动电流大于5 0 A的I
9、 G B T。I R公司推出的新型I G B T驱动集成芯片I R 2 2 1 4 1,采用自举供电技术、驱动能力强、动态响应快、具有电源欠电压及功率I G B T过电流软关断功能,简化了硬件电路设计,只需几个外围分立元件,就可直接驱动中大功率I G B T,是一种性能优异的新型驱动电路。I R 2 2 1 4 1体积封装小(S S O P-2 4),电源电路设计简单,仅需提供一路+1 5 V电源,适合于小型便携式逆变器设计。I R 2 2 1 4 1应用手册,2 0 0 3.一种用于 I G B T模块的新型半桥驱动电路4 9E l e c t r i c We l d i n gM a c
10、 h i n e1驱动模块及其在逆变电源中的应用1.1 I R 2 2 1 4 1驱动模块的功能特点I R 2 2 1 4 1驱动模块具有半桥驱动模式、驱动能力、上/下桥臂高压隔离、VC E(s a t)检测保护、变压器一、二次侧电源电压欠电压保护、体积小等特点,特别适合对体积有严格要求的功率逆变场合。其功能结构框图如图1所示。a半桥驱动I R 2 2 1 4 1原理框图b故障“局域网”系统图1 I R 2 2 1 4 1功能结构框图图1 a为半桥驱动I R 2 2 1 4 1原理框图。驱动器接口兼容3.3 VC M O S,可去除高达1.6 V的噪声干扰,同时施密特触发器输入端接下拉电阻,避
11、免在驱动电路单独加电时驱动信号电平不固定导致I G B T非正常导通。对驱动信号整形之后加入死区时间(3 3 0 n s),产生上、下桥臂驱动信号。上路信号经过电平转换送入上桥臂驱动逻辑单元,经过后级电流放大驱动上桥臂功率模块;下路驱动信号直接送入驱动逻辑单元,放大后驱动下桥臂功率器件。除具有上述大多数I G B T驱动模块通用的功能外,还具有以下独特的功能 3-4。(1)小的封装体积和强的驱动能力。I R 2 2 1 4 1封装为S S O P-2 4,体积紧凑,拉/灌电流能力达到+2 A/-3 A。高、低侧驱动引脚设计在芯片的两侧,半桥的上、下侧高压有效地隔离开来,给P C B设计留下足够
12、的爬电距离。(2)采取独特的两步法驱动和两步法过电流软关断。两步法驱动有效加速米勒电容充电,改善米勒效应对I G B T导通性能的影响,降低了功率器件开通损耗;功率模块过电流时,采用两步法软关断技术,有效抑制d u/d t、降低E M I。(3)独特的系统故障管理功能。如图1 b所示,管脚F A U L T _ S D和S Y _ F L T为双向输入输出口,当功率器件发生短路时,内部软关断信号起动该路软关断过程,同时触发V 0,则S Y _ F L T变低,发出故障封锁信号。所有I R 2 2 1 4 1的S Y _ F L T和F A U L T _ S D引脚一一对应连接组成“局域网”,
13、此时其他I R 2 2 1 4 1的S Y _ F L T就作为输入口使用,变低的S Y _ F L T通过施密特触发器立即同步封锁各自内部P WM。短路保护迅速有效,是驱动系统反应最迅速的硬件保护电路,可大幅提高系统可靠性。(4)电源设计简单。采用自举电源技术,四个分立元件构成高压侧浮动电源,系统只提供一路电源,易于热地设计。同时对上下路电源电压具有欠电压锁定和保护功能,防止电源欠压导致驱动放大级驱动能力不足,开关管工作在放大状态而烧毁。(5)接口兼容5 V、3.3 V控制系统,可直接与5 V、3.3 V控制器接口连接,无需电平转换。1.2在便携式逆变电源中的应用便携式柴油发电机逆变电源系统
14、要求体积小、质量轻,所以各部分电路必须特别设计。由于采用电压源型逆变拓扑,直流滤波储能的电解电容较多;功率器件和输出L C滤波器体积难以减小,因此必须在I G B T驱动电路、电源电路、接口电路等方面进行小型化设计。基于I R 2 2 1 4 1以上功能特点,特别是其体积封装小、驱动能力强、接口兼容5 V/3.3 V、保护功能全的优点,逆变器功率器件I G B T驱动电路可采用两路I R 2 2 1 4 1设计。其半桥驱动电路原理如图2所示。供电电源为+1 5 V;R3 4 0、V D3 0 8、C3 2 1、C3 2 2构成自举供电回路,为上管提供浮动电源。J 3 0 8为上管驱动及保护输出
15、,V D3 1 6为上管VC E(s a t)探测二极管;J 3 0 7为下关驱动及保护输出,V D3 1 7为下管VC E(s a t)探测二极管,探测二极管均选用B Y V 2 6 E超快恢复型高压二极管。稳压管V S1 3、V S1 4起到设置VC E(s a t)门限值的作用,稳压值不同,门限值不同,本系统选用3 V稳压管,门限值为3 V。便携式逆变电源的总体控制逻辑框图如图3所示,主要由晶闸管整流模块单元、核心控制模块单元、I G B T驱动保护模块单元和逆变输出单元组成。其中,I G B T1、I G B T2由U 3 0 1(I R 2 2 1 4 1)驱动,I G B T1研究
16、与设计第3 7卷5 0E l e c t r i c We l d i n gM a c h i n e由图2中J 3 0 8连接驱动,I G B T2由J 3 0 7连接驱动,I G B T3、I G B T4由另一路I R 2 2 1 4 1驱动,线路接法相同。基于I R 2 2 1 4 1独特的故障保护“局域网”原理,在系统设计的全桥驱动电路中,两路I R 2 2 1 4 1的S Y _ F L T和F A U L T _ S D引脚对应连接。一旦有某一路I G B T发生短路故障,I R 2 2 1 4 1的故障管理系统立即同步封锁S P WM,同时向控制器送出报警信号。图3系统总体控
17、制框图系统核心控制基于M i c r o c h i p公司的1 6位定点数字控制器d s P I C 3 0 F 4 0 1 1设计。该芯片采用1 6位(数据)改良的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,有卓越的数据处理能力,可进行高速数字信号处理;支持8路可编程死区的P WM输出;具有输入捕捉、输出比较模块;1 6通道A/D转换器(1 0位)。因此可减少外围硬件电路,实现逆变电源、电机高精度、高效率控制,且控制灵活,抗干扰能力强,适合于逆变电源系统和电机控制系统的设计。双凸极外转子稀土永磁发电机发出三相高频高压交流电,频率4 0 0 5 5 0 H z,电压3 5 0 5 0 0
18、 V,接入电源逆变器。系统采用三相晶闸管整流,得到恒定的D C4 0 0 V。晶闸管的触发信号根据采样的直流母线电压值决定,当直流母线低于3 9 8 V时,触发信号触发晶闸管导通,该触发信号由核心控制器发出的一路9.7 7 k H z固定占空比的P WM波调制发送。同时核心控制器发出四路S P WM脉冲信号,该S P WM信号经过I R 2 2 1 4 1驱动电路隔离、放大,驱动功率管,最后经输出L C滤波器输出纯正弦工频交流电。系统控制策略采用电压单闭环模糊P I D,输出电流采样用于功率计算及过电流保护。控制器采用热地设计,C P U的P WM信号经过非门缓冲器直接与I R 2 2 1 4
19、 1连接,无需隔离单元,增强了逆变器可靠性,减小了逆变器体积。2实验结果3 k W便携式柴油发电机逆变电源系统采用全桥逆变+S P WM波调制技术,开关频率2 0 k H z。电路参数如下:直流母线经过晶闸管整流电路稳定在D C4 0 0 V,4单元7 5 A/1 2 0 0 V(F 4-7 5 R 1 2 M S 4)I G B T构成全桥逆变单元。I R 2 2 1 4 1驱动输出波形如图4所示。通道2为I G B T1栅极驱动波形,通道3为I G B T2栅极驱动波形。经测量,死区时间约1.8 s(其中C P U编程死区约1.5 s,I R 2 2 1 4 1自带死区0.3 3 s),导
20、通电阻3 3,关断电阻1 2,过电流关断电阻3 3 0。正常关断时间约2 0 0 n s,开通时间约1.5 s。由图可以看出,I R 2 2 1 4 1关断快、导通稍缓,整体波形无毛刺,米勒平台持续时间很短,几乎为零,因此能够有效降低E M I及开关损耗。图2基于I R 2 2 1 4 1的半桥驱动电路研究与设计王富洲等:一种用于I G B T模块的新型半桥驱动电路第1 1期5 1E l e c t r i c We l d i n gM a c h i n eVC E(s a t)故障保护波形如图5所示。图5 a中,通道1为I G B T1栅极驱动波形,通道2为I G B T2栅极驱动波形,
21、通道3为I R 2 2 1 4 1故障封锁信号S Y _ F L T。当I G B T2管发生过电流时,即D S L探测点电压超过其7 V门限值,S Y _ F L T由高变低,系统封锁驱动输出,起动软关断过程。可以观察到故障时关断波形下降缓慢。图5 b为I R 2 2 1 4 1故障保护“局域网”封锁波形。通道1为I R 2 2 1 4 1故障输出波形F A U L T _ S D,通道2为I G B T4栅极驱动波形,通道3为I R 2 2 1 4 1故障封锁信号。两路I R 2 2 1 4 1的S Y _ F L T和F A U L T _ S D引脚对应连接。当故障封锁信号由高变低,说
22、明I G B T2管发生短路过电流,I R 2 2 1 4 1通过S Y _ F L T通知另一路I R 2 2 1 4 1马上关断其驱动输出,此时I G B T4管刚刚导通,但可以明显看到I G B T4管也进行了缓慢关断,经测量时间约9.6 s。缓关断完成后I R 2 2 1 4 1的F A U L T _ S D向核心控制器d s P I C 3 0 F 4 0 1 1发出功率模块短路故障报警。此处F A U L T _ S D波形下降缓慢是由于其开漏极输出端R C滤波常数大造成,调节滤波电容C可以改变故障信号下降时间。软关断结束后,S Y _ F L T恢复高电平。由实验波形可见,在基
23、于I R 2 2 1 4 1的故障保护“局域网”系统中,一路S Y _ F L T由高变低的下降沿会同时触发与此相连的其他路I R 2 2 1 4 1同时封锁输出,从而能够有效防止相间短路,提高系统可靠性。设计中应注意:(1)I R 2 2 1 4 1半桥驱动电路设计自举电容应选用低E S R的电容,如钽电容,或者采用多个电容并联以达到低E S R;(2)自举二极管选择及VC E(s a t)探测二极管应该选择高耐压超快恢复型二极管;(3)P C B设计应采用多层板,合理分配I R 2 2 1 4 1高低侧的电源、地、驱动信号布局,驱动芯片两侧的隔离驱动信号严格按照各自电压属性走线,特别是输出
24、电压/电流检测回路的走线,注意不要与上管驱动信号走线重叠,避免上管驱动信号干扰电压/电流反馈信号,造成闭环系统不稳定。3结论采用基于I R 2 2 1 4 1的全桥I G B T驱动电路在便携式柴油发电机逆变器中得到了较好的应用,采用热地设计,实现了逆变器的小型化,系统表现出良好的抗噪能力。试验结果表明,该半桥驱动I C较强的驱动能力和先进的保护措施增强了系统可靠性,提高了逆变器效率。参考文献:1 徐德鸿,马皓.电力电子技术 M .北京:科学出版社,2 0 0 6.2 M o h a nN,U n d e l a n dTM,R o b b i n s W P.电力电子学变换器、应用和设计 M
25、 .北京:高等教育出版社,2 0 0 4.3 G i n a d a l i aF e e d b a c kM,G a l l i G,M e r e l l oA.AN e wH a l f-B r i d g e H i g h V o l t a g e M o n o l i t h i c I G B TG a t e D r i v e r w i t hF u l lP r o t e c t i o na n dD i a g n o s t i c D .P C I ME u r o p e,2 0 0 3.4 D o r i nON e a c s u.A c t i v eG a t eD r i v e r s f o r Mo t o r C o n t r o lA p p l i c a t i o n s R .P E S CV a n c o u v e r,C a n a d a,2 0 0 1:1-7 1.图4上下管I G B T栅极驱动波形ab图5 VC E(s a t)保护研究与设计第3 7卷5 2