文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)09-0034-03
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,,具有高耐壓、大電流,、開關(guān)速度高和低飽和壓降等諸多優(yōu)點(diǎn)的IGBT在機(jī)車牽引,、有源濾波、新能源等電力電子領(lǐng)域有了更為廣泛的應(yīng)用[1],。而IGBT的驅(qū)動與保護(hù)是由IGBT驅(qū)動器來完成的,,高性能的驅(qū)動器可以讓IGBT工作在較為理想的開關(guān)狀態(tài),減小開關(guān)損耗,。應(yīng)用在大功率或者環(huán)境復(fù)雜多變場合下的IGBT,,鑒于其特殊性,對于IGBT驅(qū)動器的要求就更為嚴(yán)格,,如需具備瞬間驅(qū)動電流大、可靠性要求高,、有完備的保護(hù),、集成度高等特點(diǎn)[2]。本文介紹了瑞士CONCEPT公司的2SC0535驅(qū)動器,,并采用其作為核心部件,,設(shè)計(jì)了前級驅(qū)動電路、后級功率驅(qū)動電路,、故障信號指示電路,。最終用雙脈沖平臺和3 300 V/1 200 A IGBT進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明,,該驅(qū)動器具有良好的驅(qū)動與保護(hù)功能[3],。
1 2SC0535簡介
2SC0535裝備了CONCEPT公司最新的SCALE-2芯片組[4]。SCALE-2芯片組是一套專用集成電路(ASIC),,包含智能門級驅(qū)動所需的大部分功能,。該模塊采用變壓器隔離方式,可以同時驅(qū)動兩個IGBT模塊,,提供+15 V,、-10 V門級驅(qū)動電壓和±35 A的驅(qū)動電流。圖1為2SC0535的功能框圖,,它主要由DC/DC轉(zhuǎn)換電路,、輸入處理電路、驅(qū)動輸出及邏輯保護(hù)電路組成[5],。
DC/DC轉(zhuǎn)換電路將輸入部分與工作部分進(jìn)行隔離,。輸入處理部分由LDI及其外圍電路組成,。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號不能直接通過脈沖變壓器,特別是當(dāng)其占空比變化較大時,,最為困難,。而LDI主要是對于輸入的PWM信號進(jìn)行編碼,便于PWM信號通過脈沖變壓器進(jìn)行傳遞,。驅(qū)動輸出及其邏輯保護(hù)電路的核心芯片是IGD,。它集合了變壓器接口、阻斷邏輯生產(chǎn),、狀態(tài)反饋,、過流短路保護(hù)、欠壓檢測和輸出階段識別等功能于一身,。每一個IGD用于一個通道,,主要功能是對變壓器傳來的信號進(jìn)行解碼,并對PWM信號進(jìn)行功率放大,,對IGBT過流,、短路及副邊電源欠壓檢測保護(hù),向LDI反饋副邊狀態(tài),,以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時間和阻斷時間等,。
2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
2.1 前級驅(qū)動電路
由于驅(qū)動器放置在IGBT模塊上,控制器與驅(qū)動板之間的邏輯信號走線相對較長,,為了提高信號的抗干擾能力,,在驅(qū)動信號送入模塊前,用光耦進(jìn)行了隔離,,設(shè)計(jì)的前級驅(qū)動電路如圖2所示,。當(dāng)有信號輸入時,信號經(jīng)過光耦隔離,、波形整形,、鎖死/去鎖死,最終送入2SC0535模塊,。
2.2 信號鎖存指示
故障輸出端SO1,、SO2為集電極開路電路,外部需要接上拉電阻,。當(dāng)故障發(fā)生時,,相應(yīng)通道的SOx輸出低電平;否則,,輸出高電平,。如果電源欠壓,電源欠壓檢測電路也會輸出低電平。如圖3所示,,當(dāng)有錯誤發(fā)生時,,U10A管腳被拉低,U10C,、U10D輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖?,D觸發(fā)器U9在此刻的下降沿將錯誤信號鎖存住,相應(yīng)的錯誤指示燈亮,。此時由于U10A與U10B的配合,,即使錯誤消失,錯誤信號一直被鎖住不變,,直到手動按鍵S1才能恢復(fù),。利用撥碼開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)信號的鎖死與去鎖死功能。如果將LOCK端與Key1端接在一起,,則只要有錯誤發(fā)生時,,LOCK端的持續(xù)低電平會將兩路輸入信號全部封鎖,確保了IGBT的安全運(yùn)行,。如果將unLOCK與Key1連接,,則輸入信號不會受到另一路錯誤信號的封鎖,而是被全部送到模塊內(nèi)部,,由模塊判斷并封鎖對應(yīng)的輸入信號,。
2.3 死區(qū)時間和工作模式
2SC0535提供兩種工作模式可供選擇,即直接模式和半橋模式,。對于直接模式,將MOD輸入端連接到GND就可以了,。在這種模式下,,兩個通道互不影響。在半橋拓?fù)渲?,只有?dāng)控制電路產(chǎn)生了足夠的死區(qū)時間,,可以使每個IGBT都安全工作時,才能選擇此模式,,因?yàn)閮蓚€IGBT同時導(dǎo)通或者重疊導(dǎo)通會導(dǎo)致直流母線短路,。當(dāng)MOD端通過一個71 kΩ~181 kΩ電阻Rm接到GND后,則選擇了半橋模式,。參考圖4,,在此模式下,INA作為驅(qū)動信號的輸入端,,而INB則作為信號的使能端,。
死區(qū)時間Td可以通過電阻Rm來設(shè)定,見式(1):
2.4 有源鉗位保護(hù)
有源鉗位電路的目的是鉗位IGBT的集電極電位,避免關(guān)斷過程中因Vce過壓而損壞IGBT,。如果關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓尖峰太陡,,都會使IGBT受到威脅。IGBT在正常情況關(guān)斷時會產(chǎn)生一定的電壓尖峰,,但是數(shù)值不會太高,。但在變流器過載或者橋臂短路時關(guān)斷管子,產(chǎn)生的電壓尖峰則非常高,,此時IGBT非常容易損壞,。如圖5所示,其工作原理是:當(dāng)集電極電位過高時,,TVS被擊穿,,電流IAAC流進(jìn)ASIC(專用集成電路)的ACC單元。該電流大于40 mA時,,下管MOSFET開始被線性關(guān)斷,;當(dāng)電流大于500 mA時,下管MOSFET完全關(guān)閉,。此時門極處于開路狀態(tài),,Iz會向門極電容充電,使門極電壓從米勒平臺回到+15 V,,從而使關(guān)斷電流變緩慢,,達(dá)到電壓鉗位的效果。這個電路的特點(diǎn)是TVS的負(fù)載非常小,,TVS的工作點(diǎn)非常接近額定點(diǎn),,鉗位的準(zhǔn)確度及電路的有效性得到大大提高。在3 300 V的IGBT中,,使用了串聯(lián)8個300 V的TVS,,其中7個單向,1個雙向,,獲得了良好的鉗位效果,。
2.5 短路保護(hù)
IGBT短路保護(hù)的基本工作原理如圖6所示,電路由一個比較器和相應(yīng)的電路完成,。
(1)比較器的反相輸入端,,B點(diǎn)為參考電壓值。具體電壓值為恒流源150 μA乘以Rthx,。
(2)比較器的同相輸入端,,對于A點(diǎn),分兩種情況:
①如果IGBT正常導(dǎo)通,,則集電極為飽和電壓值,,Dm反向截止,,Ca無充電回路,A點(diǎn)電位穩(wěn)定,。
②IGBT短路時,,集電極電位升至母線電壓,此時電流走向如圖6虛線所示,,分為兩路,。由于RVce的限流作用,15 V電源作為負(fù)載源,,使得A點(diǎn)電位通過Rm給Ca充電而迅速提高,,最終等于15 V加上Dm和并減去Rm上的壓降。SCALE-2這種保護(hù)方式比SCALE中的保護(hù)動作更快,,也更可靠,。這時集電極電壓的高壓主要承受在RVce上。
2SC0535驅(qū)動器的每一個通道都配有Vce檢測電路,。驅(qū)動器將會可靠地進(jìn)行IGBT短路保護(hù),,但是不一定能進(jìn)行過流保護(hù)。過流保護(hù)的時間優(yōu)先級較低,,可以通過外電路集中式保護(hù)在控制器中實(shí)現(xiàn),。
在響應(yīng)時間內(nèi),Vce檢測電路不起作用,。響應(yīng)時間是指從功率半導(dǎo)體開通后直至驅(qū)動器開始檢測集電極電位所經(jīng)過的時間,。如圖7所示,每個通道的IGBT集電極-發(fā)射極電壓是獨(dú)立檢測的,。在導(dǎo)通狀態(tài)下經(jīng)過響應(yīng)時間后再檢測Vce,,以判斷短路或過流狀況。如果在響應(yīng)時間結(jié)束時,,測得Vce超出動態(tài)閾值Vcethx,,則驅(qū)動器判斷為短路或過流。然后,,驅(qū)動器關(guān)閉相應(yīng)IGBT。故障信號立即傳送到相應(yīng)的SOx輸出端,。該IGBT一直保持關(guān)斷,,且SOx一直指示故障,直至阻斷時間Tb結(jié)束,。在響應(yīng)時間區(qū)間外,,當(dāng)Vce超過閾值時,Tb開始計(jì)時,。設(shè)置RVce的電阻值,,以使RVce流過0.6~1 mA的電流,但不能超過1 mA。
2.6 門極鉗位保護(hù)
IGBT短路時會進(jìn)入線性區(qū),,這就意味著在線性區(qū)內(nèi),,門極可以強(qiáng)烈地影響短路電流。如果門極電壓高于15 V,,則短路電流會沖得很高,,比Datasheet上給定的短路電流倍數(shù)要高很多,這是很危險的,。在IGBT短路時,,集電極電流Ic急劇增大,由于IGBT存在米勒效應(yīng),,導(dǎo)致門極電位會有上升的趨勢,。這種作用是來自集電極的,并不是來自驅(qū)動電路,。如果不對門極電位進(jìn)行鉗位,,短路電流可能會沖得很高,IGBT也會超出短路安全工作(SCSOA),甚至產(chǎn)生閂鎖效應(yīng),,損壞IGBT,。為了保證IGBT短路時,短路電流不超過規(guī)定范圍,,門極鉗位電路是十分必要的,。圖8所示的是基于SCALE-2芯片組的IGBT驅(qū)動器門極鉗位電路。當(dāng)IGBT發(fā)生短路時,,二極管D1會將門極電位鉗位在15 V,,不至于由于IGBT米勒效應(yīng)而使門極電位升高,造成短路電流劇烈增加,,損壞IGBT,。
3 實(shí)驗(yàn)波形
測試平臺原理圖如圖9所示。配合雙脈沖,,可以方便觀測IGBT在一個周期內(nèi)的波形,。
圖10的波形是一個完整的雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形,母線電壓為1 600 V,。
圖11是IGBT第一次關(guān)段時候的波形,,可以看出隨著門極電壓從+15 V下降到-10 V,IGBT的Vce電壓開始上升,,Vce上升到1 600 V(峰值1 700 V,,與主電路中雜散電感和電流下降速率相關(guān)),IGBT電流從600 A下降到0,。
圖12是IGBT第二次開通和關(guān)段的波形,,當(dāng)門極電壓從-10 V上升到+15 V,,IGBT的Vce電壓從1 600 V下降到Vcesat,IGBT電流從0上升到1 000 A,。其中清晰可見二極管反向恢復(fù)電流,。
考慮到短路試驗(yàn)的危險性,將雙脈沖平臺上管IGBT用一個很粗的導(dǎo)線短接,,而非粗短的銅排,,并用了一個寬度為11 μs的脈沖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。波形2為母線電壓Vce,,Vce=1 800 V,。從圖13中可以看出,由于短接導(dǎo)線的電感量相對于銅排的大一些,,短路電流的上升速率并不是特別大,。從IGBT退飽和到電流被關(guān)斷時間約為5 μs,關(guān)斷時刻短路電流最大值達(dá)到了5.85 kA,,電壓尖峰達(dá)到2.65 kV,,有源鉗位動作顯著。
本文根據(jù)IGBT的特性設(shè)計(jì)了基于2SC0535的驅(qū)動保護(hù)電路,。試驗(yàn)證明,,設(shè)計(jì)的驅(qū)動保護(hù)電路性能良好,可在機(jī)車牽引方面得到廣泛的應(yīng)用,。
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