單電源供電的IGBT驅(qū)動電路在鐵路輔助電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者Email: flyfang2008@sohu.com

摘要：本文通過分析IGBT功率器件的特性、對可靠性驅(qū)動的要求以及幾種常用IGBT驅(qū)動電路的介紹，給出了單電源供電的IGBT驅(qū)動方案。該方案已在25T型車、25G型車35KVA逆變器的驅(qū)動電路中得到應(yīng)用，并取得了很好的效果；同時,此種電路也成功應(yīng)用于青藏鐵路輔助電源系統(tǒng)的55KVA三相逆變器。隨著IGBT的廣泛使用，這一方案將具有很好的借鑒意義及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：IGBT，驅(qū)動電路，逆變器，輔助電源

0．引言

由于ＩＧＢＴ是一種電壓控制型功率器件，它所需驅(qū)動功率小，控制電路簡單，導(dǎo)通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力。因此，目前ＩＧＢＴ已在中功率以上的電力電子系統(tǒng)中（如逆變器、變頻器、ＵＰＳ電源）逐漸取代了ＭＯＳＦＥＴ及ＢＪＴ而成為功率開關(guān)元件市場中的重要一員。然而?如何有效地驅(qū)動并保護ＩＧＢＴ則成為目前電力電子領(lǐng)域中的重要研究課題之一。在鐵路客運系統(tǒng)中，隨著電氣化列車的普及，提高列車舒適度，設(shè)計高效的IGBT驅(qū)動電路也成為列車輔助電源設(shè)計者的重要研究對象。一個具有保護功能的驅(qū)動電路不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅(qū)動功率，在異常工作狀態(tài)下能起保護ＩＧＢＴ的作用，而且應(yīng)當能使電力電子系統(tǒng)中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此?高性能的驅(qū)動電路是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性，從而增強其競爭力的關(guān)鍵之一。本文根據(jù)實際的使用經(jīng)驗著重介紹了應(yīng)用于電氣化列車輔助電源中的一種單電源IGBT的驅(qū)動電路。

1．驅(qū)動電路的設(shè)計和任務(wù)

驅(qū)動電路就是將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的驅(qū)動信號。

開關(guān)型功率器件的驅(qū)動分為兩種形式：一是電流型驅(qū)動,如GTR；二是電壓型驅(qū)動，如功率MOSFET、IGBT。無論是哪種驅(qū)動電路，在設(shè)計時都必須考慮以下兩點：最優(yōu)化驅(qū)動特性和自動快速保護。所謂最優(yōu)化特性就是以理想的控制極驅(qū)動電流(或電壓、或兩者兼有)去控制功率器件的開關(guān)過程，以提高開關(guān)速度、減小開關(guān)損耗；自動快速保護則是在驅(qū)動電路故障狀態(tài)下快速自動地切斷控制極信號，避免功率管遭到損壞，在主回路故障狀態(tài)時能及時自動切斷與主回路的聯(lián)系的能力。本文介紹的為電壓型IGBT驅(qū)動電路。

IGBT是將MOSFET的高速易驅(qū)動，安全工作區(qū)寬同雙極性器件低飽和壓降結(jié)合的產(chǎn)物。它具有以下特點：高的輸入阻抗，使之可采用通用低成本的驅(qū)動線路；高速開關(guān)特性；導(dǎo)通狀態(tài)的損耗低。在設(shè)計驅(qū)動電路時，主要考慮以下的參數(shù)：IGBT的額定值；短路電流特性；感性負載的關(guān)斷特性；最大柵極發(fā)射極電壓；柵極輸入電容；安全工作區(qū)特性。
2．驅(qū)動電路的分類

驅(qū)動電路作為逆變電路的一部分，對逆變器和變頻器的三相或單相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動電路的設(shè)計常用的一般有這樣幾種方式：

(1)分立插腳式元件的驅(qū)動電路

分立插腳式元件組成的驅(qū)動電路在80年代的日本和臺灣變頻器上被廣泛使用，主要包括日本(富士：G2，G5。三肯：SVS，SVF，MF.，春日，三菱Z系列K系列等)臺灣(歐林，普傳，臺安。)等一系列逆變器和變頻器。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn)，這類設(shè)計電路復(fù)雜，集成化程度低的驅(qū)動電路已逐漸被淘汰。

(2)光耦驅(qū)動電路
光耦驅(qū)動電路是現(xiàn)代逆變器和變頻器設(shè)計時被廣泛采用的一種驅(qū)動電路，由于線路簡單，可靠性高，開關(guān)性能好，被歐美及日本的多家逆變器和變頻器廠商采用。由于驅(qū)動光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。驅(qū)動光耦選用較多的主要由東芝的TLP系列，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。本設(shè)計即為HCPL系列光耦驅(qū)動電路。

(3)厚膜驅(qū)動電路
厚膜驅(qū)動電路是在阻容元件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個整體部件。使用驅(qū)動厚膜對于設(shè)計布線帶來了很大的方便,提高了整機的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時也加強了技術(shù)的保密性?，F(xiàn)在的驅(qū)動厚膜往往也集成了很多保護電路，檢測電路。應(yīng)該說驅(qū)動厚膜的技術(shù)含量也越來越高。

(4)專用集成塊驅(qū)動電路
現(xiàn)在還出現(xiàn)了專用的集成塊驅(qū)動電路，主要由IR的IR2111，IR2112，IR2113等，其它還有三菱的EXB系列驅(qū)動電路。三菱的M57956，M57959等驅(qū)動電路。

3．一種基于單電源供電的光耦驅(qū)動電路

在我公司為青藏鐵路所做的電源產(chǎn)品中，其中有大功率的逆變器（55KVA），
由電力機車或發(fā)電車為各節(jié)車廂的逆變器提供DC600V輸入，然后由逆變器輸出三相AC380V，為車上的空調(diào)和制氧機等設(shè)備供電。逆變器驅(qū)動電路所使用的光耦為HCPL316。HCPL316是由惠普公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅(qū)動光耦合器，其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路。主要有以下一些特性：兼容CMOS/TTL電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；開關(guān)速度最大500ns；“軟”IGBT關(guān)斷；VCE欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護；寬工作電壓范圍（15～30V）。IGBT用的是西門子公司的BSM300GA120DN2，耐壓等級為1200V，300A單管，共六個IGBT，使用單模塊的目的是為有效散熱；而驅(qū)動電源的設(shè)計通常作為驅(qū)動電路設(shè)計的一個重要的環(huán)節(jié)，如國內(nèi)很多廠家經(jīng)常使用的M57959和M57962芯片，在三相逆變控制中，要設(shè)計多路相互隔離的驅(qū)動電源，如多路+15V和多路-10V等。同時驅(qū)動電源的高要求也是整個產(chǎn)品可靠性的根本保證。而如何設(shè)計簡單可靠的驅(qū)動電源也就成為設(shè)計人員想方設(shè)法去解決的問題。在青藏鐵路的輔助電源系統(tǒng)中，就采用了單電源供電的可靠性高的驅(qū)動電路，見下圖。

圖1上管IGBT驅(qū)動電路

圖1為上管IGBT驅(qū)動電路，其中由控制器產(chǎn)生PWM1及RESET信號輸出給光耦，同時光耦產(chǎn)生的IGBT故障信號FAIL_DR給控制器；TL1111芯片把輸入的+15變換成-10V關(guān)斷電壓；同時利用二極管D101使的上管三路驅(qū)動+15V和其它路相互隔離；圖2為下管IGBT驅(qū)動電路，下管的驅(qū)動電源無須隔離，從而使得單電源供電成為可能，簡化了驅(qū)動電源的設(shè)計。對比上管驅(qū)動電路和下管驅(qū)動電路的區(qū)別，除了上管有二極管下管沒有以外，還有就是+15V的地接在下管的EM_2而上管沒有。可以看到，當下管的IGBT導(dǎo)通時，+15V的地通過下管的IGBT和上管的EM1相通，此時電解電容C104處于充電狀態(tài)，當下管關(guān)斷時，通過C104放電來驅(qū)動上管IGBT導(dǎo)通。同時通過HCPL316故障檢測功能在IGBT過壓、過流及短路的情況下很好的保護IGBT。

圖2下管IGBT驅(qū)動電路

在運行及試驗中發(fā)現(xiàn)的一些問題及改進措施
此方案已成功應(yīng)用于25T和25G型電氣化列車逆變器上，性能可靠，運行穩(wěn)定。但是在為青藏鐵路的列車提供電源產(chǎn)品中逆變器在試驗時出現(xiàn)了問題。因為工作溫度范圍要求為-40℃～50℃，在做低溫試驗時（-40℃），逆變器出現(xiàn)帶載(制氧機)波形畸變，電機運行時抖動比較利害，聲音異常。通過電流鉗直觀地發(fā)現(xiàn)三相輸出電流不平衡，用示波器仔細觀察電流和電壓波形發(fā)現(xiàn)波形出現(xiàn)畸變。經(jīng)過分析開始認為可能是驅(qū)動電源在低溫下輸出功率下降引起，后使用外接電源板故障依然沒有解決，才發(fā)現(xiàn)并不是驅(qū)動電源負載能力不夠或波動引起的。后通過在低溫下測量驅(qū)動信號發(fā)現(xiàn)，當?shù)蜏貢r，逆變器上管三路驅(qū)動信號如下圖4，而下管三路驅(qū)動信號如下圖3。

經(jīng)測量和分析以上驅(qū)動波形發(fā)現(xiàn)：在低溫時三路上管IGBT驅(qū)動信號不正常，但分析認為這種驅(qū)動信號不正常的情況是有驅(qū)動電源不正常引起的。在排除驅(qū)動電源有問題的情況下，仔細研究以上給出的驅(qū)動電路和反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，當下管導(dǎo)通時+15V給C104充電，而當下管關(guān)斷時，C104放電驅(qū)動上管，但是當溫度很低時（-40℃），電解電容C104容量下降，儲能降低，不能有地的驅(qū)動上管導(dǎo)通，所以在低溫運行時驅(qū)動信號就會出現(xiàn)如上圖4所示波形，不能有效驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，從而影響產(chǎn)品的正常運行。后把電解電容C104改為低溫特性比較好的鉭電容后，驅(qū)動信號正常，在低溫情況下逆變器也能夠正常運行，從而有力保證了項目的正常進行。

5．結(jié)束語

驅(qū)動電路設(shè)計是逆變電源設(shè)計的一個十分重要的環(huán)節(jié)，希望通過以上的設(shè)計和試驗經(jīng)驗，能夠為同行在設(shè)計同類產(chǎn)品時提供一點借鑒和參考。

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