三電平逆變器IGBT驅(qū)動和保護電路的實現(xiàn)

摘    要：本文針對IGBT對驅(qū)動電路的要求，提出并分析了一種廉價的、適用于三電平逆變器的IGBT驅(qū)動和保護電路，并給出了設計時需要注意的問題。
關(guān)鍵詞：三電平逆變器； IGBT； 驅(qū)動保護

引言
由于三電平電壓型逆變器對主元件的耐壓要求可降低一半，而且輸出波形好，因而一出現(xiàn)就顯示了巨大的優(yōu)越性。本設計方案中三電平電壓型逆變器由12個IGBT單元和鉗位二極管等組成中性點鉗位電路。有三個電平(+E、0和-E)輸出，在直流中間環(huán)節(jié)電容分壓對稱時，就有27種不同的輸出狀態(tài)。由于主電路中有12只IGBT，因此需要12路驅(qū)動電路。如果每路驅(qū)動電路采用獨立開關(guān)電源+驅(qū)動模塊+IGBT的常用模式，則成本非常高。在這種情況下，就很有必要設計一種廉價、實用且有效的IGBT驅(qū)動保護電路，既能降低成本，又不至于削弱電路的各種性能。

IGBT對驅(qū)動電路的基本要求
作為三電平逆變器的主要功率開關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。所以設計合理的驅(qū)動電路顯得尤為重要。理想的驅(qū)動電路應具有以下基本性能：
1. 要求驅(qū)動電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓Vge。正向Vge越高，器件Vces越低，越有利于降低器件的通態(tài)損耗。但為了限制短路電流幅值，一般不允許Vge超過+20V。關(guān)斷IGBT時，必須為器件提供-5V~-15V的反向Vge，以便盡快抽取器件內(nèi)部的存儲電荷，縮短關(guān)斷時間，提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。
2. 要求驅(qū)動電路具有隔離輸入輸出信號的功能，同時要求在驅(qū)動電路內(nèi)部信號傳輸無延時或延時很小。
3. 要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻Rg，用以控制Vge的前后沿陡度，進而控制器件的開關(guān)損耗。Rg增大，Vge前后沿變緩，IGBT開關(guān)過程延長，開關(guān)損耗增加；Rg減小，Vge前后沿變陡，器件開關(guān)損耗降低，同時集電極電流變化率增大。因此，Rg的選擇應根據(jù)IGBT的電流容量、額定電壓及開關(guān)頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。
4. 驅(qū)動電路應具有過壓保護和dv/dt保護能力。當發(fā)生短路或過流故障時，理想的驅(qū)動電路還應該具備完善的短路保護功能。

IGBT驅(qū)動和保護電路的實現(xiàn)
根據(jù)以上對IGBT驅(qū)動及短路保護電路的討論，本文設計了一種具有完善短路保護功能的隔離式IGBT驅(qū)動和保護電路，如圖1所示。
驅(qū)動電路
驅(qū)動電路由兩部分組成：載波部分和驅(qū)動部分。
載波部分由74HC02、晶振、74LS74、75452和脈沖變壓器組成。利用調(diào)制解調(diào)的原理，脈沖變壓器既利用高頻信號傳遞能量，同時又對驅(qū)動信號進行調(diào)制。由或非門74HC02和晶振構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生2MHz的高頻載波信號。由于脈沖變壓器工作在推挽方式下，因此需要兩個相位相差180男藕牛珼觸發(fā)器74LS74的兩個反相輸出端提供兩個反相信號驅(qū)動75452。75452是—個集成驅(qū)動器。當驅(qū)動信號PWM1和故障信號GZ1同時為高電平時，與門74HC08輸出高電平，75452選通，高頻載波信號驅(qū)動變壓器，將驅(qū)動功率和驅(qū)動信號同時傳遞到驅(qū)動部分。當PWM1和GZ1中有一個為低電平時，封鎖高頻載波信號，驅(qū)動級靠儲存的能量維持工作。同時，脈沖變壓器工作在推挽方式下，還可以將驅(qū)動器75452的壓降鉗位在2倍的工作電壓(即10V)上，以防止過電壓燒壞75452。
驅(qū)動部分由VD1~VD6、C5~C8、VZ1、VZ2、C1、R1、V2、R3、V3和V4組成。其中，VD3~VD6作為全橋整流，C5~C8為濾波電容，將高頻載波信號中的能量儲存在電容中，用來提供驅(qū)動功率。VDl和VD2實現(xiàn)反向全波整流，既避免了與正向全橋整流競爭，又可用于分辨驅(qū)動信號。VZ1和VZ2用于穩(wěn)壓，為后級電路提供一個穩(wěn)定的