強(qiáng)大的數(shù)字型IGBT驅(qū)動(dòng)器

1引言

隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，大功率器件在軌道交通、直流輸電、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的市場(chǎng)迅猛發(fā)展，其中以IGBT器件表現(xiàn)尤為突出，在具體的應(yīng)用工況中，每一個(gè)IGBT模塊都需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)器，IGBT驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT的運(yùn)行性能有著重大影響[1-3]。

傳統(tǒng)利用模擬電路實(shí)現(xiàn)的IGBT驅(qū)動(dòng)器技術(shù)較成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，但是由于其驅(qū)動(dòng)器各參數(shù)設(shè)置大都采用硬件實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整比較復(fù)雜，不同型號(hào)的IGBT必須設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)器，本文利用數(shù)字控制器對(duì)柵極控制，可以靈活的修改驅(qū)動(dòng)器的軟件參數(shù)設(shè)置，來(lái)調(diào)整IGBT工作的性能，對(duì)于不同的IGBT型號(hào)，只需要加載不同的驅(qū)動(dòng)程序，即可以解決傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的型號(hào)匹配問(wèn)題。

如圖1示，驅(qū)動(dòng)器主要包括：高等級(jí)隔離電源、光纖通信接口、功率放大電路、檢測(cè)保護(hù)電路、數(shù)字控制器等五部分。

2.1高等級(jí)隔離電源

高壓IGBT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中，電源設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分之一，電源的輸出功率決定了IGBT在實(shí)際工作中能夠使用的工作頻率，如果電源輸出功率不足，可能會(huì)在IGBT器件高頻工作時(shí)，出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，導(dǎo)致IGBT損耗增加，甚至造成IGBT損壞。

本設(shè)計(jì)中采用Ti公司的LM5025芯片設(shè)計(jì)反激式DC-DC電路(電路圖見(jiàn)圖2)，電路中的初級(jí)具有電流檢測(cè)軟起動(dòng)功能，當(dāng)電流檢測(cè)電阻上的壓降達(dá)到0.25V時(shí)，對(duì)電源起到很好的過(guò)流保護(hù)作用。

2.2光纖通信接口

在用戶主控系統(tǒng)通信的接口設(shè)計(jì)上，選擇抗干擾能力強(qiáng)的光纖通信，防止控制信號(hào)被干擾出現(xiàn)誤觸發(fā)。光纖選用HFBR-1522、HFBR-2522，光纖電路如圖3。

2.3功率放大電路

選擇導(dǎo)通阻抗非常低的mosFET作為開(kāi)關(guān)器件，構(gòu)成IGBT柵極功率輸出電路，如圖4，同時(shí)，采用多個(gè)柵極電阻切換的方式，實(shí)現(xiàn)不同條件下對(duì)IGBT性能的調(diào)整。在IGBT正常開(kāi)關(guān)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整柵極電阻來(lái)控制器件的開(kāi)關(guān)速度，達(dá)到優(yōu)化器件效率的目的。在IGBT出現(xiàn)工作異常時(shí)(例如短路)，可以通過(guò)調(diào)整柵極電阻來(lái)控制器件的工作狀態(tài)，防止器件損壞達(dá)到保護(hù)器件的目的。

2.4檢測(cè)保護(hù)電路

為防止IGBT器件工作中出現(xiàn)任何異常故障，驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)IGBT的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)異常，驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)采取保護(hù)動(dòng)作，并通知主控器。

欠壓檢測(cè)：目前各個(gè)IGBT廠商推薦IGBT器件工作時(shí)的柵極電壓為±15V(柵極最大承受電壓為±20V)，如果IGBT器件在工作中出現(xiàn)低于15V的情況，根據(jù)IGBT器件飽和壓降VCE與柵極電壓的關(guān)系(如圖5示)，隨著柵極電壓的下降，IGBT飽和壓降會(huì)增加，造成IGBT器件損耗增加，有可能會(huì)損壞器件，所以，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)器輸出柵極的電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果出現(xiàn)欠壓開(kāi)通情況，驅(qū)動(dòng)器要立即進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)需要注意，IGBT的短路電流與柵極電壓成正比，所以當(dāng)器件開(kāi)通時(shí)柵極出現(xiàn)高于+15V電壓，器件如果出現(xiàn)故障會(huì)出現(xiàn)比正常工況更大的短路電流，所以驅(qū)動(dòng)器必須確保柵極開(kāi)通電壓處于合理的范圍內(nèi)。

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