造纸大功率IGBT驱动技术的现状与发展

作者：   发布日期：2016-03-16 17:57   信息来源：http://www.lp1995.com

1　引言
　　电力电子技术在现今急需节能降耗的工业领域里起到了不成替换的作用;而IGBT在诸如变频器、年夜功率开关电源等电力电子技术的能量变换与经管运用中，越来越成为各类主回路的首选功率开关器件，是以若何平安靠得住地驱动IGBT工作，同样成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。
　　在使用IGBT组成的各类主回路之中，年夜功率IGBT驱动庇护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对自力的“子系统”来研究、开发及设计。
　　年夜功率IGBT驱动庇护电路一直陪伴IGBT技术的成长而成长，现在市场上流行着很多种类很是成熟的年夜功率IGBT驱动庇护电路专用产物，成为年夜大都设计工程师的首选;也有许多的工程师凭据其电路的特殊要求，自行研制出各类专用的年夜功率IGBT驱动庇护电路。本文对这些年夜功率IGBT驱动庇护电路进行分类，并对该电路需要到达的一些功能进行论述，最后展看此电路的成长。此外本文所述年夜功率IGBT驱动庇护电路是指运用于直流母线电压在650V～1000V范围、输出电流的交流有用值在100A～600A范围的场所。

2　年夜功率IGBT驱动庇护电路的分类
　　依照年夜功率IGBT驱动庇护电路能够完成的功能来分类，可以将年夜功率IGBT驱动庇护电路分为以下三种类型:单一功能型、多功能型、全功能型。
2.1　单一功能型
　　单一功能型的年夜功率IGBT驱动庇护电路通常为由光耦和功率缓冲器组成，如HCPL-3150等，如图1所示。它将普通控制旌旗灯号的TTL/CMOS输进电平旌旗灯号转变为正负十几伏的IGBT门极驱动输出电平，正负电平的幅值取决于隔离电源。

图1　HCPL-3150原理框图及引脚示意图

工程师进行设计时可将它配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处置电路、门极驱动电阻等，就可直接驱动IGBT，形成最简单的年夜功率IGBT驱动庇护电路;也能够自己配上一些外围电路形成多功能型驱动器。
　　单一功能型的年夜功率IGBT驱动庇护电路的最年夜优点是运用灵活、成本较低。它既可以运用于诸如斩波、BOOST等需要单只IGBT运行的主回路，也能够运用于由多只IGBT组成的半桥、单相全桥、三相全桥等主回路。由于需要另配隔离电源电路、逻辑处置电路等，所以留给设计工程师的开发使命量年夜，这也是单一功能型的年夜功率IGBT驱动庇护电路的最年夜错误谬误。这里的逻辑处置电路通常为指上电顺序逻辑及各类庇护处置等功能。
　　此外像HCPL-3150等驱动器的驱动能力有限，一般都在3A以下，若是驱动600A以上的IGBT就需要外接更年夜的功率缓冲电路或接纳其它措施。
2.2　多功能型
　　多功能型的年夜功率IGBT驱动庇护电路除提供直接驱动IGBT的功能之外，还可以提供完善的庇护功能，如HCPL-316J、M57962等，如图2和图3所示，它们一般采用夹杂厚膜封装技术或采用集成封装技术，可以直接兼容CMOS/TTL电平。工程师进行设计时一般只需要配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处置电路、门极驱动电阻等，就能够成为一个较为完整的年夜功率IGBT驱动庇护电路。
　　M57962、HCPL-316J等驱动器自己具有较完整的庇护功能，集成度高。其最年夜的优点是使开发人员的工作获得简化，而且靠得住性高，很是适于多路驱动的场所。可是由于它们的驱动能力也有限，若是驱动更高功率的IGBT，也需要外接更年夜的功率缓冲电路。
M57962、HCPL-316J等驱动器一般提供软关断功能，在需要庇护IGBT退出过流、短路状态时，这个功能很是重要，它可以使IGBT的NPNP四层结构免于进进“可控硅栓锁”状态。此外像HCPL-316J等驱动器还具有欠压锁定庇护功能，这年夜年夜简化了设计者的工作。
2.3　全功能型
　　全功能型的年夜功率IGBT驱动庇护电路除具有各类完善的庇护功能之外，还都无一破例地设置装备摆设了DC/DC隔离电源，如2SD315AI(Concept)、SKYPERTMPRO(Semikron)、2ED300C17-S(Eupec)等。都是今朝国际上著名的全功能型驱动器。

3　年夜功率IGBT驱动庇护电路的功能
　　凭据分歧的运用需要，年夜功率IGBT驱动庇护电路可以由多个功能组成一个相对完整的自力子系统。该系统的主要使命是完成“接口”工作:
3.1　隔离功能
　　由于发生波形逻辑的控制电路与功率主回路之间存在电平差异，而且功率主回路存在很是高的电磁干扰，这就需要进行旌旗灯号传递的隔离及电源供给的隔离。旌旗灯号隔离有两种方式:光耦隔离方式及脉冲变压器隔离方式。
　　光耦隔离方式的优点是转换电路简单，易于运用。由于上升延时及下降延时在500ns左右的量级，所以适用在频率较低的领域。若是需要故障回传到主控系统，则需要另外一路光耦。为了利便使用，也有将这两个光耦集成在一个封装之内的产物，如HCPL-316J等等。今朝市场上光耦隔离方式的最年夜工作隔离电压VIORM在3500V左右。
　　脉冲变压器隔离方式的转换电路相对复杂，一般需要使用专用集成电路，可是由于其运行速度高，适用在频率较高的领域，而且故障回传不需要其它绕组，隔离通道相对简单。只要空间位置允许，变压器隔离可以由于绕制工艺的改良做到很是高。此外一些对动态的隔离有要求的运用场所，要求隔离电路的dv/dt耐量很是高，而使用脉冲变压器隔离则可以到达75kV/μs以上的水平。
电源供给隔离一般采用不共地的DC/DC变换器，其变压器隔离耐压通常为母线电压的3倍以上，变换器的二次侧必需能够提供正负电源。
3.2　死区隔离功能
　　驱动死区隔离的设置(见图7阴影部门)对于半桥、全桥主回路来说长短常重要的。它通常为使用R、C电路来实现的。R、C电路的优点是简单，抗干扰能力强，错误谬误是容易受温度影响，成本较高，需要占据贵重的PCB板件的面积，死区时间的调整距离偏年夜。
　　针对上述R、C电路的错误谬误，很多具有开发能力的用户愿意使用“数字”的方式来获得死区。其最年夜的优点是温度稳定性好，由于调整步距仅仅与时钟旌旗灯号频率有关，可以做到很邃密，利于优化算法及主回路系统。

3.3　驱动功率的缓冲功能
　　对于输出额定电流在100A以上的IGBT来说，虽然属于具有高阻输进的场控器件，可是由于寄生电容的存在和弥勒效应，在短时内（微秒或亚微秒）需要向IGBT的输进端输进或抽出较年夜的电流，从几百毫安到十几个安培不等，视IGBT及主回路的参数来肯定。是以在功率容量上普通的逻辑电路及逻辑缓冲电路均没法胜任，需要专门设计的功率缓冲电路来解决。这一类功率缓冲电路基本都是采用图腾柱输出级。很多产物选用双极型器件如M57962L等，也有选用单极型器件的如2SD315AI等，更有采用夹杂型器件，其上管选用双极型器件，下管选用单极型器件如HCIPL-316J等等。为了知足瞬间能够源出、吸进十几个安培，往耦电容的选择及结构显得极为重要。一般选用具有优秀高频特征的独石电容，在PCB结构时要求尽量紧靠图腾柱。
　　功率缓冲级的电源供给的容量也长短常重要的，视IGBT的门极电荷以或门极电容参数和主回路工作频率来肯定。功率缓冲级电路如图8所示，它的隔离耐压水平与旌旗灯号传递电路的耐压水平要求同等。

3.4　检测及庇护功能
3.4.1　过流检测及庇护
　　一般采用间接电压法。当IGBT泛起过流情况时，Vce饱和压降增年夜，是以经由过程检测IGBT导通时的Vce饱和压降与设定的阈值进行比力就能够判断是否泛起过流。为了提高抗干扰能力，泛起了很多的基准设置及比力方式，避免功率主回路泛起频仍“打嗝”甚至停机的现象。此外若何平安地关断一只甚最多只并联处于过流之中的IGBT也需要仔细斟酌，今朝大都采用软关断方式避免IGBT进进“栓锁”状态。