文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)08-0048-03
MMC(Modular Multilevel Converter)換流站被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)輸電、柔性高壓直流輸電等場(chǎng)合,,越來(lái)越受到廣大科研人員的關(guān)注[1],。MMC換流站系統(tǒng)由A、B,、C三相構(gòu)成,,每相由上、下橋臂組成,。對(duì)于5電平MMC換流站,,其每相有8個(gè)子模塊,3相共有24個(gè)子模塊,,每個(gè)子模塊中有2個(gè)IGBT,,共有48個(gè)IGBT,如果換流站擴(kuò)容,,增加電平數(shù),,則會(huì)有更多的IGBT投入工作。如何使MCU控制電路產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT的工作時(shí),,驅(qū)動(dòng)電路能夠發(fā)送故障信號(hào)給MCU控制器并能響應(yīng)MCU控制器發(fā)來(lái)的復(fù)位信號(hào),;如何設(shè)計(jì)體積小的驅(qū)動(dòng)電路板;如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源直接由交流側(cè)供電,、有保護(hù)電路等[2],這些對(duì)MMC換流站的正常工作至關(guān)重要,。本文設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)整體電路框圖如圖1所示,。
圖1 IGBT驅(qū)動(dòng)框圖
1 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源模塊
1.1 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)要求
220 V的交流電經(jīng)過(guò)整流橋后,作為開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓,,開(kāi)關(guān)電源輸出2路+17 V,、2路-5 V、1路+5 V電源,,供給光耦合器驅(qū)動(dòng)電路模塊,。為了節(jié)約電路板的空間,要求設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,。同時(shí),,開(kāi)關(guān)電源還要求可靠性高、有保護(hù)電路,、適應(yīng)輸入電壓的變化等[3-5],。
1.2 電壓反饋電路
開(kāi)關(guān)電源輸入電壓升高時(shí),單端反激式變壓器的副繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也相應(yīng)地升高,。該電壓經(jīng)過(guò)D15,、C58和C59組成的濾波穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)后,,得到直流電壓。該電壓經(jīng)過(guò)R56和R62分壓后,,R62上的采樣電壓輸入U(xiǎn)C3842的Pin2引腳,,與Pin2腳內(nèi)的2.5 V基準(zhǔn)電壓相比較后,經(jīng)內(nèi)部誤差放大器放大,,使Pin6輸出脈沖的占空比變小,,MOSFET管每周期開(kāi)通時(shí)間變短,變壓器輸出電壓下降,,達(dá)到穩(wěn)壓的目的,。同樣,當(dāng)變壓器輸出電壓降低時(shí),,通過(guò)反饋電壓使Pin6輸出脈沖的占空比變大,,變壓器輸出電壓上升,最終使變壓器輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值,。
1.3 過(guò)載保護(hù)
由于UC3842的電源引腳Pin7的輸入電壓范圍是10 V~16 V,,為了防止輸入到Pin7的電壓大于16 V,對(duì)UC3842造成損壞,,設(shè)計(jì)在C58的兩端并聯(lián)一個(gè)反向擊穿電壓為16 V的穩(wěn)壓管,,以達(dá)到保護(hù)UC3842的目的。
1.4 開(kāi)關(guān)頻率選擇
考慮開(kāi)關(guān)器件的溫升和設(shè)計(jì)電源的要求,,UC3842的開(kāi)關(guān)頻率選擇50 kHz左右,。所以選擇震蕩電阻Rt為10 kΩ,震蕩電容Ct為3 600 pF,,則UC3842的震蕩頻率為:
可見(jiàn),,震蕩頻率接近50 kHz,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。
1.5 開(kāi)關(guān)管緩沖電路
UC3842的Pin6輸出給MOSFET開(kāi)關(guān)管的信號(hào)頻率很高,,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖,很容易造成開(kāi)關(guān)管的損壞并嚴(yán)重影響Pin3的電流采樣工作,。為此,,設(shè)計(jì)了R58、R59,、R63,、R64、C63緩沖吸收電路,。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源硬件電路如圖2所示,。
2 光耦合器驅(qū)動(dòng)模塊
2.1 驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路主要由2片HCPL-316芯片和相關(guān)電路組成。驅(qū)動(dòng)電路所需要的電源+17 V,、+5 V,、-5 V由設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源提供,。HCPL-316芯片的Pin1引腳接+5 V電源,由MCU控制板發(fā)來(lái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM1,、PWM2分別接兩個(gè)HCPL-316芯片的Pin2引腳,,PWM1、PWM2是互補(bǔ)的信號(hào),,兩個(gè)HCPL-316芯片的Pin11引腳分別輸出VG1和VG2兩路驅(qū)動(dòng)IGBT的信號(hào),,使MMC換流站中一個(gè)子模塊能正常工作。
IGBT的開(kāi)通電壓為+15 V~+20 V,,為了加快IGBT導(dǎo)通速度而又不減少IGBT使用壽命,,設(shè)計(jì)采用+17 V開(kāi)通方案。IGBT的關(guān)斷電壓理論上為0 V,,但是為了加快IGBT的關(guān)斷速度,,增加IGBT關(guān)斷的可靠性[6],設(shè)計(jì)采用-5 V電壓關(guān)斷,,即VG1和VG2分別提供給IGBT柵極最大正幅值為+17 V,、最大負(fù)幅值為-5 V的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
圖2 驅(qū)動(dòng)電源硬件電路圖
圖3 光耦隔離電路
2.2 光耦隔離電路
IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路作為IGBT與MCU控制單元的接口電路,,由于IGBT的工作電位差很大,,如果其與MCU控制電路直接耦合,則會(huì)產(chǎn)生干擾,,影響設(shè)備的正常工作,。所以,設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入/輸出需要隔離,。目前隔離的主要方式有變壓器隔離和光電耦合,。但由于變壓器隔離存在占空比不足、體積較大,、換流站空間限制等問(wèn)題,所以本設(shè)計(jì)采用HCPL-316作為光耦隔離器件,,每個(gè)HCPL-316內(nèi)部有2個(gè)光電隔離模塊,,如圖3所示。其中,,第1個(gè)光電隔離模塊將控制器輸入的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸送給IGBT模塊以驅(qū)動(dòng)IGBT工作,;第2個(gè)光電隔離模塊將IGBT反饋的故障信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸送給MCU控制器模塊以進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。HCPL-316可以隔離高達(dá)1 500 V的直流電壓,,滿足設(shè)計(jì)的需要,。
2.3 過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)電路
IGBT正常工作時(shí),其通態(tài)壓降Vce一般很小,,只有2 V,,此時(shí)HCPL-316上的DESAT引腳處于低電平,。當(dāng)IGBT發(fā)生過(guò)流狀態(tài)時(shí),集電極電流Ic會(huì)迅速增大,,IGBT的通態(tài)壓降Vce也會(huì)隨著Ic的增大而迅速增大,。當(dāng)電路檢測(cè)的Vce值超過(guò)參考電壓時(shí),快速恢復(fù)二極管會(huì)迅速截止,,HCPL-316上的DESAT引腳被鉗制在大約7 V的參考電壓上,。此時(shí)HCPL-316會(huì)發(fā)送故障信號(hào)給MCU控制電路,控制電路會(huì)迅速封鎖PWM信號(hào)的輸出,,進(jìn)而關(guān)斷IGBT,,達(dá)到保護(hù)IGBT和換流站的目的。
快速恢復(fù)二極管的參數(shù)計(jì)算:根據(jù)IGBT過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)電路原理可知:
UDESAT=UCE+UD(2)
式中,,UDESAT是HCPL-316上DESAT管腳的輸入電壓,,等于7 V;UCE是IGBT通態(tài)時(shí)集電極與發(fā)射極之間的壓降,,IGBT正常工作時(shí),,UCE=2 V;UD是快速恢復(fù)二極管正向?qū)ǖ膲航???焖俣O管的型號(hào)選擇SURS8160T3G,其反向擊穿電壓是600 V,,正向?qū)妷簽?.25 V,。由于UD=UDESAT-UCE,所以串聯(lián)的二極管數(shù)量n=(7-2)/1.25=4個(gè),。
2.4 柵極保護(hù)電路
IGBT的柵極與發(fā)射極之間有一個(gè)金屬氧化層薄膜,,柵極與發(fā)射極之間最大能承受的電壓VGE大約為20 V。在兩種情況下柵極上可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓:(1)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生偶然性故障,,使加在IGBT柵極上的開(kāi)通信號(hào)最大幅值可能會(huì)大于20 V,;(2)IGBT在高速開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中,柵極可能會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流,,這種電流可能會(huì)在柵極和射極回路的阻抗上產(chǎn)生壓降,,柵極與射極之間可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象。這兩種過(guò)壓情況都嚴(yán)重威脅IGBT的安全,。解決方案是在柵極與射極之間串聯(lián)兩個(gè)18 V的穩(wěn)壓管,,以確保IGBT的柵極與射極之間的正反向電壓低于20 V,保障了IGBT的安全,,如圖4所示,。
圖4 IGBT柵極保護(hù)電路
圖5 光耦合驅(qū)動(dòng)電路
設(shè)計(jì)的光耦合驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源的輸出使用Tek示波器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中+17 V電源輸出測(cè)試波形如圖6(a)所示,,測(cè)試顯示值為+16.9 V,,誤差率只有0.5%,紋波率很??;+5 V電源的輸出測(cè)試波形如圖6(b)所示,測(cè)試顯示值為+4.92 V,,誤差率只有1.6%,。設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源能滿足后級(jí)IGBT驅(qū)動(dòng)電路所需電源的要求,開(kāi)關(guān)電源部分達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。
圖6 驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)波形
對(duì)設(shè)計(jì)的光耦驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。光耦電路的輸入是幅值為+5 V、頻率為10 kHz,、占空比為50%的PWM信號(hào),,如圖7(a)所示。該信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)電路后,,輸入到IGBT的柵極,,作為柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖7(b)所示,,MCU控制器發(fā)出的PWM信號(hào)為+5 V時(shí),,驅(qū)動(dòng)電路輸出+17 V的驅(qū)動(dòng)電壓使IGBT開(kāi)通;當(dāng)MCU控制器發(fā)出的PWM信號(hào)為0 V時(shí),,驅(qū)動(dòng)電路輸出-5 V的驅(qū)動(dòng)電壓使IGBT快速關(guān)斷,。測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路能滿足MMC換流站各子模塊的正常工作要求,,達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期,。
圖7 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)波形
針對(duì)MMC換流站各子模塊中IGBT的工作特性,設(shè)計(jì)將驅(qū)動(dòng)電源和驅(qū)動(dòng)電路集合在一塊電路板上,,有利于節(jié)約空間體積,。本文給出了IGBT驅(qū)動(dòng)電源的具體設(shè)計(jì),包括電壓反饋電路,、過(guò)載保護(hù),、開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)管緩沖電路設(shè)計(jì),;給出了光耦合器驅(qū)動(dòng)電路的具體設(shè)計(jì),,包括光耦隔離電路,、過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)電路,、柵極保護(hù)電路等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性,并已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室MMC換流站樣機(jī)的子模塊IGBT的控制,。同時(shí),,本文提出的設(shè)計(jì)方案對(duì)于類似IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有很好的實(shí)用參考價(jià)值。
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(收稿日期:2014-05-30)
作者簡(jiǎn)介:
顧先明,男,,1990年生,,碩士研究生,主要研究方向:MMC換流站控制系統(tǒng),,電力電子,。