30kVA逆變電源中IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)

摘要：系統(tǒng)介紹30kVA逆變電源中IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)。提出IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，介紹三菱的IGBT驅(qū)動(dòng)電路M57962L和逆變電源中IGBT的過壓、柵極過壓、過流、過熱保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)

Problems on Anti? Jamming of Switching Power Supply

Abstract: On the basis of definition and experimental method of electromagnetic compatibility,general way and problem of anti? jamming were introduced.At the same time,the characteristices of some new type anti? jamming devices,FTS series of pulse antagonismers and LSA series of lightning surge absorbers,were presented.

Keywords: Electromagnetic jamming, Electromagnetic compatibility, Electromagnetic compatibility test, New type anti? jamming devices

中圖法分類號(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)08?396?03

　1引言

在我們研制的30kVA逆變電源中，最容易損壞的部件是組成逆變橋的IGBT，和其它電力電子器件相比，IGBT雖然具有電流容量大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但要用好IGBT，使其不受損壞并不容易。IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)問題是逆變電源能否可靠工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文就30kVA逆變電源裝置中IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)進(jìn)行敘述。

2IGBT的驅(qū)動(dòng)

2.1IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求

（1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓

驅(qū)動(dòng)電路提供的正偏壓＋UGE使IGBT導(dǎo)通。增大正偏壓對(duì)減小開通損耗和導(dǎo)通損耗有利，但也會(huì)使IGBT承受短路電流的時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此正偏壓要適當(dāng)，通常為＋15V。為了保證IGBT在C－E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓，采用負(fù)偏壓還可以減小關(guān)斷損耗，負(fù)偏壓取－9V左右為宜。

（2）柵極串聯(lián)電阻Rg

IGBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實(shí)現(xiàn)的，因此柵極電阻對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性影響極大，減小Rg使開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗減小，減小關(guān)斷時(shí)dv/dt噪聲帶來誤導(dǎo)通的可能性，提高IGBT的短路耐量，但會(huì)增加續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓，使EMI也增大。對(duì)于1200V/400A的IGBT，Rg取2Ω比較合適。

（3）驅(qū)動(dòng)電路的電源

驅(qū)動(dòng)電路的電源應(yīng)穩(wěn)定，能提供足夠高的正負(fù)柵壓，電源應(yīng)有足夠的功率，以滿足柵極對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求。在大電流應(yīng)用場合，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路最好都采用獨(dú)立的分立絕緣電源。驅(qū)動(dòng)電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨(dú)立，以減小相互間的干擾，推薦使用帶多路輸出的開關(guān)電源作為驅(qū)動(dòng)電路電源。

2.2三菱驅(qū)動(dòng)模塊M57962L簡介

在我們的逆變電源裝置中，使用了日本三菱公司的驅(qū)動(dòng)模塊M57962L。M57962L是N溝道大功率IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路，能驅(qū)動(dòng)600V/400A和1200V/400A的IGBT，M57962L的原理方框圖如圖1所示，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合20kHz左右的高頻開關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻（約185Ω），可將5V的電壓直接加到輸入側(cè)；

圖1M579621L的原理框圖

（2）如果采用雙電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使輸出負(fù)柵壓比較高。電源電壓的極限值為＋18V/－15V，一般取＋15V/－10V；

（3）信號(hào)傳輸延遲時(shí)間短，低電平－高電平的傳輸延遲時(shí)間以及高電平－低電平的傳輸延遲時(shí)間都在1.5μs以下；

（4）具有過流保護(hù)功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L將對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，并輸出過流故障信號(hào)。

　　M57962L的典型應(yīng)用實(shí)例如圖2所示。

3IGBT的保護(hù)

圖2M579621L的典型應(yīng)用實(shí)例

IGBT損壞的原因可以歸結(jié)為以下3個(gè)方面：

?過熱損壞，它又分為由于集電極電流過大引起的瞬時(shí)過熱損壞和其它原因引起的持續(xù)過熱損壞；

?集電極發(fā)射極間過壓損壞；

?柵極過壓損壞。

因此IGBT的保護(hù)要從以下4個(gè)方面著手：

?集電極發(fā)射極間過電壓保護(hù)；

?柵極過電壓保護(hù)；

?過流保護(hù)；

?過熱保護(hù)。

3.1集電極、發(fā)射極間過電壓保護(hù)

IGBT的集電極發(fā)射極間產(chǎn)生過電壓的類型有兩類，即IGBT關(guān)斷過電壓和續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓。安裝緩沖電路是抑制集電極、發(fā)射極間過電壓的有效措施。緩沖電路之所以能減小IGBT集電極發(fā)射極間的過電壓，是因?yàn)樗o回路電感提供了泄能回路，降低了回路電感上電流的變化率。30kVA逆變電源中所采用的緩沖電路如圖3所示。

圖3所示電路中采用以下3種器件及電路：

圖3緩沖電路

（1）金屬氧化物壓敏電阻（Rrl～Rr5）

金屬氧化物壓敏電阻是一種良好的電壓尖峰抑制器件，它的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，能抑制寬度很窄的尖峰電壓，金屬氧化物壓敏電阻具有通流容量大（500A～5000A），平均漏電流小（幾μA），使用電壓范圍廣（30V～1500V），體積小、可靠性高且價(jià)格便宜等特點(diǎn)。但它能抑制的尖峰電壓寬度不能過大，否則壓敏電阻將會(huì)因功耗過大而燒壞。

（2）并在直流母線上的無感電容。

（3）由R，C，VD組成的放電阻止型緩沖電路，在放電阻止型緩沖電路中，要選擇高頻特性好的無感電容器作為緩沖電容，要選擇過渡正向電壓低，反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)特性軟的二極管作為緩沖二極管，緩沖二極管的反向耐壓及峰值正向電流要與IGBT的額定電壓及額定電流相當(dāng)。

圖4柵極過壓保護(hù)電路

3.2柵極過電壓保護(hù)

IGBT的柵極出現(xiàn)過電壓的原因有兩個(gè)：

（1）靜電聚積在柵極電容上引起過壓；

（2）密勒效應(yīng)引起的柵極過壓，柵極過壓保護(hù)電路如圖4所示。

3.3過電流保護(hù)

圖5集中過電流保護(hù)框圖

在逆變電源的負(fù)載過大或輸出短路的情況下，會(huì)造成IGBT因過流而損壞。在30kVA逆變電源中，采用集中過電流保護(hù)與分散過電流保護(hù)相結(jié)合的過流保護(hù)策略，所謂集中過電流保護(hù)，就是通過檢測逆變橋輸入直流母線上的電流，當(dāng)該電流值超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖所有橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；分散過電流保護(hù)是通過檢測逆變橋各個(gè)橋臂上的電流，當(dāng)該電流超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖該橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采取雙重過電流保護(hù)使裝置的可靠性大大提高。

（1）集中過電流保護(hù)

圖6分散過電流保護(hù)電路原理圖

圖5所示為集中過電流保護(hù)的原理圖

電流檢測點(diǎn)放在直流側(cè)，檢測元件采用日本HINODE公司的直測式霍爾效應(yīng)電流傳感器HAP8－200/4，用以檢測直流側(cè)電壓的瞬時(shí)值。HAP8－200/4需要±15V的供電電源，額定電流為±200A，飽和電流在450A以上，額定輸出電壓為±4V，di/dt響應(yīng)時(shí)間在10μs以下。在正常情況下，集中過電流保護(hù)電路的輸出OC為高電平，一旦直流母線電流超過設(shè)定的閾值，比較器LM311的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)過R2，C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖剑@個(gè)低電平的信號(hào)將使封鎖電路動(dòng)作，封鎖逆變橋所有IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。R2C2組成的延遲電路是為防止封鎖電路誤動(dòng)作而采取的抗干擾措施。

（2）分散過電流保護(hù)

圖6所示為分散過電流保護(hù)的原理圖。我們知道，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓不變時(shí)，IGBT的飽和壓降UCE（sat），將隨著集電極電流Ic的增大而增大，通過查閱三菱1200VIGBT的產(chǎn)品手冊(cè)可知，UCE（sat）與Ic的關(guān)系可由如下經(jīng)驗(yàn)公式表示出來：其中Iced為IGBT的額定電流。

因此通過監(jiān)測UCE（sat），就可以判斷IGBT是否過流。在圖6中，M57962L通過快恢復(fù)二級(jí)管VD1及穩(wěn)壓管VZ來監(jiān)測UCE（sat），當(dāng)M57962L輸入側(cè)光耦導(dǎo)通后，并且當(dāng)UAE=UCE（sat）＋UVD1＋UVZ超過閾值UAE＊后，將開始軟關(guān)斷，M57962L的輸出電壓將從正柵壓逐漸下降到負(fù)柵壓。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)VEE=10V，VCC=15V時(shí)，閾值UAE＊=9.5V，并且當(dāng)VEE不變時(shí)，VCC每增加1V，UAE＊也將加1V。可以看出，改變穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)壓值可以改變分散過流閾值。在實(shí)際裝置中，VCC=15V，VEE=10V，VD為ERA34－10，其管壓降為0.5V，UVZ=5V，這樣分散過流保護(hù)的電流閾值為3倍的額定電流。

3.4過熱保護(hù)

IGBT過熱的原因可能是驅(qū)動(dòng)波形不好或電流過大或開關(guān)頻率太高，也可能由于散熱狀況不良。可以利用溫度傳感器檢測IGBT的散熱器溫度，當(dāng)超過允許溫度時(shí)使主電路停止工作。

4結(jié)語

本文介紹IGBT的驅(qū)動(dòng)電路M57962L和逆變電源中IGBT的過壓，柵極過壓，過流、過熱保護(hù)措施，所介紹的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)電路，已成功地應(yīng)用于我們所研制的30kVA正弦波逆變電源裝置中，由于該電源具有良好的驅(qū)動(dòng)和可靠的保護(hù)措施，即使在輸出直接短路的情況下，仍能保證IGBT不損壞，從而確保電源整機(jī)工作的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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