用于有源電力濾波器的IGBT驅(qū)動及保護研究

摘要：介紹有源電力濾波器設(shè)計中EXB84l型絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)驅(qū)動器的驅(qū)動原理和電路特點，對IGBT的柵極驅(qū)動特性、柵極串聯(lián)電阻進行了探討，給出過流保護和過壓吸收的有效辦法。樣機試運行證明此種設(shè)計方案可靠、有效。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；IGBT；EXB84l；驅(qū)動保護

l 前言
    絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)作為一種復(fù)合型器件，集成了MOSFET的電壓驅(qū)動和高開關(guān)頻率及功率管低損耗、大功率的特點，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。本文對應(yīng)用于有源電力濾波器的IGBT的特性及其專有EXB84l型驅(qū)動器的設(shè)計進行討論，并提出一種具有完善保護功能的驅(qū)動電路。
    有源電力濾波器設(shè)計中應(yīng)用4個IGBT作為開關(guān)，并用4個EXB84l組成驅(qū)動電路，其原理如圖l所示。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，并由驅(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DSP采取封鎖控制信號、停機等處理。

2 驅(qū)動電路的設(shè)計
2.1 驅(qū)動電路電源
    驅(qū)動電路需要4路相互隔離的直流電源為4路IGBT驅(qū)動電路供電，用220V/22V變壓器對4路交流電源分別整流，用電容器和78L24型電壓調(diào)整器穩(wěn)壓后輸出4路24V直流電壓，如圖2所示。

2.2 柵極電壓
    IGBT通常采用柵極電壓驅(qū)動，它對柵極驅(qū)動電路有著特殊的要求。柵極驅(qū)動電壓脈沖的上升率和下降率要足夠大，導(dǎo)通時，前沿很陡的柵極電壓UGE可以使IGBT快速導(dǎo)通，并減小導(dǎo)通損耗，關(guān)斷時，其柵極驅(qū)動電路要給IGBT提供一個下降很陡的關(guān)斷電壓，并在柵極和發(fā)射極之間施加一個適當?shù)姆聪蜇撈珘海员闶笽GBT快速關(guān)斷，并減小關(guān)斷損耗。IGBT導(dǎo)通后，柵極的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的寬度，以保證IGBT在瞬時過載時未退出飽和區(qū)受到損壞。柵極驅(qū)動電壓推薦值為15 V±1.5 V，這個電壓值使IGBT完全飽和導(dǎo)通，并使通態(tài)損耗減至最小。施加關(guān)斷負偏壓可以抑制C-E間出現(xiàn)du/dt時IGBT的誤導(dǎo)通，也可以減少關(guān)斷損耗。
2.3 門極電阻R1
    門極電阻R1的選取對通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗及承受短路的能力都有不同程度的影響。當門極電阻增大時，IGBT的開通和關(guān)斷時間增加，從而使導(dǎo)通和關(guān)斷損耗增加。當門極電阻減小時，則會導(dǎo)致di/dt增加，從而引起IGBT的誤導(dǎo)通。所以應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關(guān)頻率的不同選擇R1的阻值。
    Rl的值可以用下式計算：

   
    IC為IGBT的集電極電流。如圖3所示，一般R1取十幾歐姆到幾十歐姆，R2為30 Ω。由于IGBT是壓控器件，當集-射極間加高壓時，很容易受外界干擾，而使柵-射極間電壓超過一定值，引起器件誤導(dǎo)通，為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，在柵-射極間并聯(lián)一電阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍，而且應(yīng)將它并聯(lián)在柵-射極最近處。電路中的電容器Cl和C2用來抑制因電源接線阻抗引起的供電電壓變化，而不是用于電源濾波。

2.4 EXB841驅(qū)動環(huán)節(jié)
    筆者在實驗中采用的是EXB841型專用IGBT驅(qū)動模塊，其最高運行頻率為40 kHz，輸入信號經(jīng)內(nèi)部光耦隔離，光隔驅(qū)動電流為10 mA，最大延時約為1 μs。工作溫度范圍為-10℃~+85℃，供電電壓為+20 V～+25 V。筆者對EXB841功能進行了擴展，圖3為驅(qū)動環(huán)節(jié)電路。
    EXB841的6引腳連接的二極管可檢測IGBT的飽和壓降，用來完成過流保護功能，4引腳的過流保護信號延時10μs輸出。當IGBT有過流時，若UCE大于7.5V，內(nèi)部過流保護電路開始動作，軟關(guān)斷IG-BT。通常在IGBT通過額定電流時UCE為3.5 V，當UCE=7.5 V時，IGBT有過流，其值約為額定電流的3~5倍，但是由于沒有達到保護的閾值，保護電路不起作用。如果長時間工作在這種狀態(tài)，則會導(dǎo)致IGBT損壞。為了可靠地保護IGBT，應(yīng)該降低過流保護閾值，可以在D1與IGBT的集電極間反串一個穩(wěn)壓管，或多串幾個與D1同規(guī)格的快速恢復(fù)二極管。如圖3通過反串一個IN4728型3.3 V穩(wěn)壓管使保護閾值降為4.2V。當檢測到IGBT過流后，5引腳變?yōu)榈碗娖?，TPL521型光耦輸出低電平，通過與門封鎖控制信號輸入，同時使4輸入與非門輸出低電平，觸發(fā)功率驅(qū)動保護中斷，完成相應(yīng)的保護處理。
2.5 控制部分與驅(qū)動部分的隔離
    控制電路為弱電部分，極易受到干擾；驅(qū)動電路直接與外電路連接，是一個較強的干擾源；為了實現(xiàn)整個設(shè)備的電磁兼容，控制電路部分必須與驅(qū)動部分隔離。為了避免公共電源對控制電路產(chǎn)生干擾，應(yīng)對控制電路及驅(qū)動電路分別供電，EXB84l的電源電壓為+20 V，一般控制電路的供電電壓為5 V，因此，可以利用圖4所示的DC-DC微功率模塊進行電源隔離，采用A2405D型微功率模塊實現(xiàn)電源的隔離。

3 IGBT及驅(qū)動電路的保護
3.1 IGBT的過電壓保護
    IGBT集-射極之間的瞬時過壓會對IGBT造成損壞，筆者采用箝位式吸收電路對瞬時過電壓進行抑制。當IGBT導(dǎo)通時，由于二極管的作用，電容器的電荷不會被放掉，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關(guān)斷時，負載電流仍流過IGBT，直到IGBT集-射極之間電壓達到電源電壓，續(xù)流二極管導(dǎo)通。應(yīng)用該電路，可以使雜散電感中的能量通過二極管轉(zhuǎn)儲到吸收電容器中，而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上，這樣就可以抑制IGBT集電極的尖峰電壓。吸收電容器的容值可以按公式(2)選?。?BR>   
    式中，L是引線電感；i是IGBT關(guān)斷時的電流；△U是吸收電容器上的電壓過沖。
    當吸收回路中的電容器電壓高于直流側(cè)電容器上的電壓時，通過電阻器向直流側(cè)電容器回送能量，一直到與直流側(cè)電容器的電壓相等。當IGBT關(guān)斷時，線路電感在集電極和發(fā)射極二端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，加上箝位式吸收電路以后，UCE被箝位在電容器電壓上，當UCE高于電容器電壓時，線路電感的能量被轉(zhuǎn)移到吸收電容器上，當尖峰電壓過去以后，吸收電容高于主電容的那部分電壓會由于能量回進而達到與主電容相等。這樣就抑制了集-射極間的尖峰電壓。吸收電容越大，吸收效果越好。由于吸收電容器上過沖的能量大部分被送回到直流側(cè)電容，所以減小了電阻器的功耗。
3.2 消除IGBT集-柵極之間的du/dt
    圖5所示為EXB841與IGBT柵-射極之間的連接電路原理圖。當驅(qū)動電路中的V4導(dǎo)通時，IGBT處于正常導(dǎo)通狀態(tài)，當V5導(dǎo)通時，IGBT柵-射極之間通過穩(wěn)壓管VZ2提供一個-5V電壓加在其兩端，使IGBT關(guān)斷，此時V5處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，穩(wěn)壓管VZ2處于反向偏置狀態(tài)。但由于集-柵極之間分布電容的影響，集-柵極之間的du/dt增大時，其通過分布電容形成的電流經(jīng)過，所以，要克服集-柵極之間的du/dt，確保穩(wěn)壓管不過壓，避免IGBT誤導(dǎo)通。克服du/dt的方法有二種：一是驅(qū)動電路輸出與IGBT柵-射極之間的連線采用雙絞屏蔽電纜，屏蔽層接地，二是采用快速吸收電路吸收過電壓。

3.3 EXB841的過流保護功能擴展
    EXB841自身具有過流保護功能，其保護原理是利用IGBT的集電極通態(tài)飽和壓降與集電極電流呈近似線性關(guān)系。當IGBT工作在正常狀態(tài)時，EXB841的6腳電位箝制在8 V，內(nèi)部保護不動作，當IGBT因承受過流而退出飽和狀態(tài)時，IGBT集-射極間的電壓上升很多，與EXB84l的6引腳相連的快速二極管截止，EXB841的6引腳被懸空，內(nèi)部保護動作，輸出驅(qū)動電壓慢慢下降，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。
    在實際應(yīng)用中，僅靠EXB841的6引腳檢測IG-BT集電極電壓來實現(xiàn)過流保護并不足以有效地保護IGBT，因此有必要在主電路中加接霍爾電流傳感器來檢測電路中的過流，如圖6所示。過流發(fā)生后，檢測電路檢測到電流，延時8μs后信號還存在的話。封鎖驅(qū)動信號以關(guān)斷IGBT。在圖中，霍爾電流傳感器如果在主電路中檢測到過流信號，其中的PNP三極管將導(dǎo)通，同時，NPN三極管被截止，EXB841的6腳被懸空；當沒有過流信號時，PNP三極管不導(dǎo)通，NPN三極管導(dǎo)通，此時電路等效于擴展前的電路。

4 結(jié)束語
    本設(shè)計應(yīng)用以上電路對IGBT進行驅(qū)動和保護。此驅(qū)動電路是在典型驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上進行改進和完善的，并且自行設(shè)計了隔離部分和過電流保護擴展部分。此驅(qū)動電路相對簡單、實用，對被驅(qū)動的IGBT有完善的保護能力，輸出阻抗低，具有較強的抗干擾性能。
    應(yīng)用這種IGBT模塊的有源濾波器的樣機通過試驗，證明硬件能夠協(xié)調(diào)配合，控制效果穩(wěn)定、精確，并且已經(jīng)批量制板。