《電子技術(shù)應(yīng)用》
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MMC換流站IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第8期
顧先明,,郭家虎,,張 磊,,宋江峰
安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,,安徽 淮南232001
摘要: 針對(duì)常用的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊存在外圍電路復(fù)雜,、需要額外的多路穩(wěn)壓直流源,、保護(hù)功能不足,、可靠性不高等弊端,,難以滿足MMC換流站IGBT工作要求的情況,,提出了將開(kāi)關(guān)電源和驅(qū)動(dòng)電路集成在同一電路板上,,并且對(duì)電壓反饋電路、過(guò)載保護(hù)電路,、光耦隔離電路,、過(guò)流檢測(cè)與保護(hù)電路進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,本設(shè)計(jì)方案能很好地滿足模塊化多電平換流站IGBT的工作要求,,對(duì)類似的IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有很好的實(shí)用參考價(jià)值。
中圖分類號(hào): TM57
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)08-0048-03
Design of IGBT driving and protection circuit of MMC converter station
Gu Xianming,,Guo Jiahu,,Zhang Lei,Song Jiangfeng
College of Electrical and Information Engineering,,Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,,China
Abstract: Aiming at the disadvantages of the complexity of periphery circuit,needing extra multi-channel DC power source, deficiency of protection function and poor reliability of commonly used IGBT driver module, which can difficult to satisfy the working requirement of modular multilevel converter station IGBT,,this paper puts forward a method of focus switching power supply and driving circuit on one circuit board,,and gives a specific design of voltage feedback circuit, over-load protection circuit, optic coupling circuit, over-current detection and protection circuit. This design can meet the working requirement of modular multilevel converter station IGBT through experimental validation. Also,this design offers some practical references to similar IGBT driver design.
Key words : IGBT driver,;switching power,;optical coupling isolation,;over-current detection

     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,。

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