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0．引言 由于ＩＧＢＴ是一種電壓控制型功率器件，它所需驅動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，導通壓降低，且具有較大的安全工作區和短路承受能力。因此，目前ＩＧＢＴ已在中功率以上的電力電子系統中（如逆變器、變頻器、ＵＰＳ電源）逐漸取代了ＭＯＳＦＥＴ及ＢＪＴ而成為功率開(kāi)關(guān)元件市場(chǎng)中的重要一員。然而?如何有效地驅動(dòng)并保護ＩＧＢＴ則成為目前電力電子領(lǐng)域中的重要研究課題之一。在鐵路客運系統中，隨著(zhù)電氣化列車(chē)的普及，提高列車(chē)舒適度，設計高效的IGBT驅動(dòng)電路也成為列車(chē)輔助電源設計者的重要研究對象。一個(gè)具有保護功能的驅動(dòng)電路不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅動(dòng)功率，在異常工作狀態(tài)下能起保護ＩＧＢＴ的作用，而且應當能使電力電子系統中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此?高性能的驅動(dòng)電路是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性，從而增強其競爭力的關(guān)鍵之一。本文根據實(shí)際的使用經(jīng)驗著(zhù)重介紹了應用于電氣化列車(chē)輔助電源中的一種單電源IGBT的驅動(dòng)電路。 1．驅動(dòng)電路的設計和任務(wù) 驅動(dòng)電路就是將信息電子電路傳來(lái)的信號按控制目標的要求，轉換為相應的驅動(dòng)信號。 開(kāi)關(guān)型功率器件的驅動(dòng)分為兩種形式：一是電流型驅動(dòng),如GTR ；二是電壓型驅動(dòng)，如功率MOSFET、IGBT。無(wú)論是哪種驅動(dòng)電路，在設計時(shí)都必須考慮以下兩點(diǎn)：最優(yōu)化驅動(dòng)特性和自動(dòng)快速保護。所謂最優(yōu)化特性就是以理想的控制極驅動(dòng)電流(或電壓、或兩者兼有) 去控制功率器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，以提高開(kāi)關(guān)速度、減小開(kāi)關(guān)損耗；自動(dòng)快速保護則是在驅動(dòng)電路故障狀態(tài)下快速自動(dòng)地切斷控制極信號，避免功率管遭到損壞，在主回路故障狀態(tài)時(shí)能及時(shí)自動(dòng)切斷與主回路的聯(lián)系的能力。本文介紹的為電壓型IGBT驅動(dòng)電路。 IGBT是將MOSFET的高速易驅動(dòng)，安全工作區寬同雙極性器件低飽和壓降結合的產(chǎn)物。它具有以下特點(diǎn)：高的輸入阻抗，使之可采用通用低成本的驅動(dòng)線(xiàn)路；高速開(kāi)關(guān)特性；導通狀態(tài)的損耗低。在設計驅動(dòng)電路時(shí)，主要考慮以下的參數：IGBT的額定值；短路電流特性；感性負載的關(guān)斷特性；最大柵極發(fā)射極電壓；柵極輸入電容；安全工作區特性。 單電源供電IGBT驅動(dòng)電路鐵路輔助電源系統 2．驅動(dòng)電路的分類(lèi) 驅動(dòng)電路作為逆變電路的一部分，對逆變器和變頻器的三相或單相輸出有著(zhù)巨大的影響。驅動(dòng)電路的設計常用的一般有這樣幾種方式： (1) 分立插腳式元件的驅動(dòng)電路 分立插腳式元件組成的驅動(dòng)電路在80年代的日本和臺灣變頻器上被廣泛使用，主要包括日本(富士：G2，G5。三肯：SVS，SVF，MF.，春日，三菱Z系列K系列等)臺灣(歐林，普傳，臺安。)等一系列逆變器和變頻器。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現，這類(lèi)設計電路復雜，集成化程度低的驅動(dòng)電路已逐漸被淘汰。 (2) 光耦驅動(dòng)電路 光耦驅動(dòng)電路是現代逆變器和變頻器設計時(shí)被廣泛采用的一種驅動(dòng)電路，由于線(xiàn)路簡(jiǎn)單，可靠性高，開(kāi)關(guān)性能好，被歐美及日本的多家逆變器和變頻器廠(chǎng)商采用。由于驅動(dòng)光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。驅動(dòng)光耦選用較多的主要由東芝的TLP系列，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。本設計即為HCPL系列光耦驅動(dòng)電路。 (3) 厚膜驅動(dòng)電路 厚膜驅動(dòng)電路是在阻容元件和半導體技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導線(xiàn)，將驅動(dòng)電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個(gè)整體部件。使用驅動(dòng)厚膜對于設計布線(xiàn)帶來(lái)了很大的方便,提高了整機的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時(shí)也加強了技術(shù)的保密性�，F在的驅動(dòng)厚膜往往也集成了很多保護電路，檢測電路。應該說(shuō)驅動(dòng)厚膜的技術(shù)含量也越來(lái)越高。 (4) 專(zhuān)用集成塊驅動(dòng)電路 現在還出現了專(zhuān)用的集成塊驅動(dòng)電路，主要由IR的IR2111，IR2112，IR2113等，其它還有三菱的EXB系列驅動(dòng)電路。三菱的M57956，M57959等驅動(dòng)電路。 3．一種基于單電源供電的光耦驅動(dòng)電路 在我公司為青藏鐵路所做的電源產(chǎn)品中，其中有大功率的逆變器（55KVA）， 由電力機車(chē)或發(fā)電車(chē)為各節車(chē)廂的逆變器提供DC600V輸入，然后由逆變器輸出三相AC380V，為車(chē)上的空調和制氧機等設備供電。逆變器驅動(dòng)電路所使用的光耦為HCPL316。 HCPL316是由惠普公司生產(chǎn)的一種IGBT門(mén)極驅動(dòng)光耦合器，其內部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路。主要有以下一些特性：兼容CMOS/TTL電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；開(kāi)關(guān)速度最大500ns；“軟”IGBT關(guān)斷；VCE欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護；寬工作電壓范圍（15～30V）。IGBT用的是西門(mén)子公司的BSM300GA120DN2，耐壓等級為1200V，300A單管，共六個(gè)IGBT，使用單模塊的目的是為有效散熱；而驅動(dòng)電源的設計通常作為驅動(dòng)電路設計的一個(gè)重要的環(huán)節，如國內很多廠(chǎng)家經(jīng)常使用的M57959和M57962芯片，在三相逆變控制中，要設計多路相互隔離的驅動(dòng)電源，如多路+15V和多路-10V等。同時(shí)驅動(dòng)電源的高要求也是整個(gè)產(chǎn)品可靠性的根本保證。而如何設計簡(jiǎn)單可靠的驅動(dòng)電源也就成為設計人員想方設法去解決的問(wèn)題。在青藏鐵路的輔助電源系統中，就采用了單電源供電的可靠性高的驅動(dòng)電路，見(jiàn)下圖。 圖1上管IGBT驅動(dòng)電路 圖1為上管IGBT驅動(dòng)電路，其中由控制器產(chǎn)生PWM1及RESET信號輸出給光耦，同時(shí)光耦產(chǎn)生的IGBT故障信號FAIL_DR給控制器；TL1111芯片把輸入的+15變換成-10V關(guān)斷電壓；同時(shí)利用二極管D101使的上管三路驅動(dòng)+15V和其它路相互隔離；圖2為下管IGBT驅動(dòng)電路，下管的驅動(dòng)電源無(wú)須隔離，從而使得單電源供電成為可能，簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電源的設計。對比上管驅動(dòng)電路和下管驅動(dòng)電路的區別，除了上管有二極管下管沒(méi)有以外，還有就是+15V的地接在下管的EM_2而上管沒(méi)有�？梢钥吹�，當下管的IGBT導通時(shí)，+15V的地通過(guò)下管的IGBT和上管的EM1相通，此時(shí)電解電容C104處于充電狀態(tài)，當下管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)C104放電來(lái)驅動(dòng)上管IGBT導通。同時(shí)通過(guò)HCPL316故障檢測功能在IGBT過(guò)壓、過(guò)流及短路的情況下很好的保護IGBT。 圖2下管IGBT驅動(dòng)電路 在運行及試驗中發(fā)現的一些問(wèn)題及改進(jìn)措施 此方案已成功應用于25T和25G型電氣化列車(chē)逆變器上，性能可靠，運行穩定。但是在為青藏鐵路的列車(chē)提供電源產(chǎn)品中逆變器在試驗時(shí)出現了問(wèn)題。因為工作溫度范圍要求為-40℃～50℃，在做低溫試驗時(shí)（-40℃），逆變器出現帶載(制氧機)波形畸變，電機運行時(shí)抖動(dòng)比較利害，聲音異常。通過(guò)電流鉗直觀(guān)地發(fā)現三相輸出電流不平衡，用示波器仔細觀(guān)察電流和電壓波形發(fā)現波形出現畸變。經(jīng)過(guò)分析開(kāi)始認為可能是驅動(dòng)電源在低溫下輸出功率下降引起，后使用外接電源板故障依然沒(méi)有解決，才發(fā)現并不是驅動(dòng)電源負載能力不夠或波動(dòng)引起的。后通過(guò)在低溫下測量驅動(dòng)信號發(fā)現，當低溫時(shí)，逆變器上管三路驅動(dòng)信號如下圖4，而下管三路驅動(dòng)信號如下圖3。 經(jīng)測量和分析以上驅動(dòng)波形發(fā)現：在低溫時(shí)三路上管IGBT驅動(dòng)信號不正常，但分析認為這種驅動(dòng)信號不正常的情況是有驅動(dòng)電源不正常引起的。在排除驅動(dòng)電源有問(wèn)題的情況下，仔細研究以上給出的驅動(dòng)電路和反復試驗發(fā)現，當下管導通時(shí)+15V給C104充電，而當下管關(guān)斷時(shí)，C104放電驅動(dòng)上管，但是當溫度很低時(shí)（-40℃），電解電容C104容量下降，儲能降低，不能有地的驅動(dòng)上管導通，所以在低溫運行時(shí)驅動(dòng)信號就會(huì )出現如上圖4所示波形，不能有效驅動(dòng)IGBT導通，從而影響產(chǎn)品的正常運行。后把電解電容C104改為低溫特性比較好的鉭電容后，驅動(dòng)信號正常，在低溫情況下逆變器也能夠正常運行，從而有力保證了項目的正常進(jìn)行。 5．結束語(yǔ) 驅動(dòng)電路設計是逆變電源設計的一個(gè)十分重要的環(huán)節，希望通過(guò)以上的設計和試驗經(jīng)驗，能夠為同行在設計同類(lèi)產(chǎn)品時(shí)提供一點(diǎn)借鑒和參考。 參考文獻： [1] 王建淵 鐘彥儒 張曉濱 基于數字信號處理器的IGBT驅動(dòng)電路可靠性分析與設計 《電源技術(shù)應用》 [2] 蔣朝華 通用變頻器常見(jiàn)的驅動(dòng)電路形式及分析《變頻器世界》 [3]楊晶琦。電力電子器件原理與設計[M]。北京：國防工業(yè)出版社。1999 |
