孫曙光，林雪松，杜太行，金少華

（1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130；2.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津300130）

1 引言

有源電力濾波器（APF）在諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］，可消除諧波使電源側(cè)電流波形為正弦波；其主電路為逆變器結(jié)構(gòu)，IGBT 是目前中、大功率開(kāi)關(guān)電源或逆變器普遍使用的開(kāi)關(guān)器件，因此驅(qū)動(dòng)電路的特性與保護(hù)功能對(duì)有源電力濾波器的應(yīng)用至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能一體的IGBT 專用驅(qū)動(dòng)模塊，使用比較方便、可靠性高，目前常用驅(qū)動(dòng)專用集成電路一般有EXB841 系列和M5759 等系列，及CONCEPT公司的2SD和6SD等系列。

因此本文主要針對(duì)100 kV·A 有源電力濾波器的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，就其中的強(qiáng)弱電接口電路、驅(qū)動(dòng)部分、以及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。

2 光纖接口電路

有源電力濾波器以TMS320F2812 為核心控制器發(fā)出幅值為0～3 V 的PWM 波，而所用的驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)為0～15 V，需要對(duì)DSP輸出的PWM 波進(jìn)行放大，以滿足IGBT 對(duì)PWM 波幅值的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)前后電路的電氣隔離，抑制高壓電路部分對(duì)控制電路的干擾，用光纖電路實(shí)現(xiàn)上述功能，還可以引入故障反饋，在主電路的功率開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)故障時(shí)有效地保護(hù)主電路，防止主電路受到損壞。

本裝置中選用的是安捷侖（Agilent）公司提供的塑料光纖HFBR-1521 光發(fā)送器和HFBR-2521 光接收器，圖1 為光纖傳送工作原理圖。DSP 控制器產(chǎn)生的6 路PWM 信號(hào)經(jīng)光纖發(fā)送器進(jìn)入光纖，沿著光纖到2SD315AI驅(qū)動(dòng)板的6路光纖接收器，由接收器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM電信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)2SD315AI驅(qū)動(dòng)放大后便可驅(qū)動(dòng)IGBT，還有3 路光纖發(fā)射器，為ABC 三相驅(qū)動(dòng)器故障狀態(tài)SO 輸出，綜合的故障信息發(fā)送給DSP 的PDPINTA腳，運(yùn)行過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)中斷程序，從而封鎖PWM，保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

圖1 光纖傳送工作原理圖Fig.1 Schematic of optical fiber transmission work

本系統(tǒng)的光纖連接如圖2 所示，主要包含3部分：光發(fā)送器HFBR-1521、傳輸光纖和光接收器HFBR-2521。圖2中PWM信號(hào)為DSP控制器根據(jù)指令補(bǔ)償電流發(fā)出的控制信號(hào)，INA/INB 是2SD315AI驅(qū)動(dòng)模塊的PWM輸入引腳。

圖2 光纖連接圖Fig.2 Fiber connection diagram

其中光纖發(fā)送采用發(fā)光管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特別適用于需要高的傳輸率或頻率響應(yīng)快的場(chǎng)合，瞬時(shí)電壓直接施加在發(fā)光二極管兩端上，沖擊能力強(qiáng)，發(fā)光二極管響應(yīng)快，即輸入與輸出延遲時(shí)間短，但驅(qū)動(dòng)功耗較高，因有源電力濾波器的PWM開(kāi)關(guān)頻率較高，所以采用該種方式。而光纖接收部分，CD4093 供電電源為+15 V，閾值電壓上限約為8 V，下限大約為5 V，而光纖接收器輸出最大電壓為+5 V，因而外部加入抬升電壓電路，滿足CD4093的翻轉(zhuǎn)電壓水平。此時(shí)驅(qū)動(dòng)器工作在CMOS 電平模式。在光纖接收器輸出加入了電容，起到輸入濾波隔離，減小信號(hào)的失真。

HFBR-1521，它的正向?qū)▔航礦F典型值為1.5 V。光纖發(fā)射端的限流電阻Rx取值要合適，如果限流電阻偏大，光纖發(fā)射電流不夠，傳輸距離短，傳輸率高，次級(jí)有毛草，影響模塊的輸出脈沖，如果限流電阻偏小，光纖發(fā)射電流很大，傳輸距離可以很長(zhǎng)，傳輸率降級(jí)，功耗大。所以在實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮傳輸距離，選取合適的限流電阻Rx的阻值。本系統(tǒng)選定的電阻電流IF為15 mA。即有下式成立：

所以本系統(tǒng)選用220 Ω的限流電阻。

3 2SD315AI的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

SCALE 驅(qū)動(dòng)器2SD315AI 是一個(gè)用于功率MOSFET 和IGBT 的雙通道驅(qū)動(dòng)模塊。2SD315AI 結(jié)合緊湊的機(jī)械尺寸和簡(jiǎn)潔的電氣界面，具有非常高的輸出電流，高的驅(qū)動(dòng)功率和特殊的高絕緣，驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)電流達(dá)到±15 A，根據(jù)有源電力濾波器的補(bǔ)償容量，本文選用的功率器件為EUPEC 公司的FF300R12KS4IGBT，經(jīng)計(jì)算其驅(qū)動(dòng)電路需提供的最大瞬時(shí)電流為9.1 A，所以選用2SD315AI作為驅(qū)動(dòng)器。

圖3 為2SD315AI 的功能框圖。它主要由DC/DC 變換電路、輸入處理電路、驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路組成［3］。其引腳的具體功能可參見(jiàn)相關(guān)的用戶使用手冊(cè)，這里不再贅述。

圖3 2SD315AI內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The internal strueture block diagram of the 2SD315AI

3.1 基于2SD315AI的驅(qū)動(dòng)外圍電路設(shè)計(jì)

以2SD315AI 為核心，所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的外圍電路由輸入保護(hù)、上電復(fù)位、通道狀態(tài)指示及與IGBT的接口電路幾部分組成［4-5］，2SD315AI工作于直接模式，以下分別介紹各部分電路功能。

3.1.1 輸入保護(hù)

輸入保護(hù)電路如圖4 所示，防止當(dāng)光纖損壞或輸入側(cè)掉電時(shí)，PWMA/PWMB均呈現(xiàn)高阻態(tài)，此時(shí)輸入信號(hào)經(jīng)下拉電阻Ra2，Ra3接地，避免IGBT出現(xiàn)直通。當(dāng)A通道有輸入信號(hào)時(shí)，Qb1導(dǎo)通，將B 通道的電位鉗位在0 V，當(dāng)B 通道有輸入信號(hào)時(shí)，Qa1導(dǎo)通，將A 通道接地，從而實(shí)現(xiàn)了A，B通道的邏輯互鎖，INA 與INB 連接至2SD315AI的對(duì)應(yīng)引腳，作為驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)。

圖4 輸入保護(hù)Fig.4 Input protection

3.1.2 驅(qū)動(dòng)電源智能監(jiān)控功能和上電復(fù)位

如圖5 所示，在2SD315AI 上電瞬間，三極管Q2導(dǎo)通，狀態(tài)反饋信號(hào)SO 引腳為低電平，經(jīng)圖6所示，2 次取反接至驅(qū)動(dòng)模塊VL 引腳，該引腳為驅(qū)動(dòng)模塊復(fù)位引腳，低電平有效，封鎖驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器輸出低電平，即在上電時(shí)驅(qū)動(dòng)器是輸出低電平狀態(tài)。該電路同時(shí)還有欠壓保護(hù)功能，VDD>12 V時(shí)，Z2反向擊穿，Q3導(dǎo)通，Q2截止，VL為高電平，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)通；當(dāng)VDD<12 V 時(shí)，Q3截止，Q2導(dǎo)通，VL 為低電平，驅(qū)動(dòng)模塊IGD 輸出負(fù)門極電壓，關(guān)斷IGBT。

圖5 驅(qū)動(dòng)電源智能監(jiān)控和上電復(fù)位Fig.5 Drive power intellgent monitoring and power-up reset

3.1.3 狀態(tài)輸出和故障自復(fù)位電路

如圖6所示，驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到有故障時(shí)，SO1和SO2 輸出低電平，經(jīng)過(guò)CD4093 取反后輸出高電平，導(dǎo)通三極管Q1，發(fā)光指示燈SOA發(fā)光，給工作人員以警示，并且發(fā)射光纖的發(fā)光二極管發(fā)光，把故障信號(hào)傳遞給控制器，控制器DSP 中斷，封鎖PWM輸出，保護(hù)IGBT。該電路還具有自復(fù)位功能。在故障時(shí)，SO1 和SO2 輸出低電平，經(jīng)CD4093 2 次反向后，接至驅(qū)動(dòng)模塊VL 端，VL 為低電平，復(fù)位清除錯(cuò)誤寄存器存儲(chǔ)的錯(cuò)誤信息，開(kāi)通驅(qū)動(dòng)器，為了響應(yīng)下一次信號(hào)做好準(zhǔn)備。

圖6 狀態(tài)輸出和故障自復(fù)位電路原理Fig.6 Status output and error automatic reset circuit

3.1.4 IGBT接口以及狀態(tài)顯示

如圖7 所示，驅(qū)動(dòng)接口電路采取對(duì)稱參數(shù)的開(kāi)通和關(guān)斷電阻，不僅驅(qū)動(dòng)電阻的功率可以取得小些，還可以分別控制開(kāi)通和關(guān)斷的dv/dt 和di/dt，減小米勒效應(yīng)。

圖7 IGBT接口Fig.7 IGBT interface circuit

在管腳Visox 和Lsx 之間需串接1 個(gè)電阻和發(fā)光二極管以指示通道X 的工作狀態(tài)，如圖7 所示，在正常情況下發(fā)光二極管發(fā)光，而在發(fā)生短路和欠壓故障時(shí)，發(fā)光二極管熄滅。

為改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小IGBT 集電極大的電壓尖脈沖，根據(jù)該模塊的使用手冊(cè)合理選擇柵極的串聯(lián)電阻，既可獲得良好的驅(qū)動(dòng)脈沖，又控制了IGBT 通斷狀態(tài)變化的過(guò)渡時(shí)間。

此外為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰脈沖，在柵射極間并接2只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管，其電壓值范圍為15～18 V。

2SD315AI 最大輸出電壓正反向均為15 V，最大輸出電流15 A，則柵極串聯(lián)電阻Rgmin=2 Ω，選取時(shí)先根據(jù)廠家手冊(cè)上推薦的數(shù)據(jù)，在1倍與10倍之間選取，再經(jīng)試驗(yàn)波形來(lái)分析確定。本裝置根據(jù)實(shí)驗(yàn)選用3個(gè)10 Ω/1 W的電阻并聯(lián)，因此驅(qū)動(dòng)的開(kāi)通和關(guān)斷電阻為3.3 Ω。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題分析

3.2.1 IGBT過(guò)流保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

為防止IGBT上下橋臂發(fā)生直通，發(fā)生燒毀，需要設(shè)置IGBT 過(guò)流保護(hù)功能。由于IGBT 的飽和導(dǎo)通壓降VCE和集電極電流IC近似成正比關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)VCE可判斷回路是否短路或過(guò)電流。2SD315AI 驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部集成的過(guò)流保護(hù)電路就是基于此原理［6］，通過(guò)集電極檢測(cè)電路來(lái)保護(hù)IGBT器件。

2SD315AI 驅(qū)動(dòng)模塊的過(guò)流保護(hù)電路如圖8所示。

圖8 過(guò)流保護(hù)原理圖Fig.8 Overcurrent protection schematic

IGD001 內(nèi)部集成的保護(hù)電路包括1 個(gè)電壓比較器，其輸出端OVERCURRENT 為驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)信號(hào)和2 個(gè)恒流源電路。2 個(gè)1N4007串聯(lián)后接在高壓側(cè)，防止高壓信號(hào)竄入到驅(qū)動(dòng)器而燒毀驅(qū)動(dòng)器。電容Ca的加入，是為了防止在IGBT 剛導(dǎo)通而未到飽和導(dǎo)通這段過(guò)渡時(shí)間，出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)作而設(shè)計(jì)。1.4 mA電流源經(jīng)電阻、2 個(gè)1N4007 和IGBT 飽和壓降到E，此時(shí)比較器同相端電位為U+。而150 μA恒流源，流經(jīng)參考電阻Rth在比較器負(fù)端形成一個(gè)比較參考電壓V-，其值V-=Vth=150 μA×Rth。如果VCE大于過(guò)流保護(hù)電壓VCE(off)時(shí)，U+大于U-，OVERCURRENT 為高電平，芯片執(zhí)行過(guò)流保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)電路的輸出Vge為-15 V 以關(guān)斷IGBT，封鎖時(shí)間約1 s，同時(shí)故障輸出端SO1和SO2為低電平。

根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短虛斷的原理，臨界過(guò)流狀態(tài)時(shí)有下列公式成立：

式中：U+，U-分別為運(yùn)放輸入端正負(fù)極電壓；VCE(off)為過(guò)流保護(hù)電壓；Rm=180 Ω；N為二極管的個(gè)數(shù)，假設(shè)二極管管壓降為0.6 V；Rth為過(guò)流保護(hù)閾值電阻。

由上所述，調(diào)節(jié)Rth的阻值即可調(diào)整過(guò)流保護(hù)的閾值，即IGBT飽和導(dǎo)通壓降。

保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)U+=U-。本裝置選用的IGBT 為EUPEC 的FF300R12KS4，集電極可重復(fù)峰值電流在85 ℃條件下為300 A，取其電流保護(hù)閥值350 A，根據(jù)其用戶手冊(cè)可查得，對(duì)應(yīng)的電壓閥值約為3.5 V，VCE(off)=VCE(SAT)=3.5 V，則Rth=(3.5+1.452)/(150×10-6)=33 kΩ，應(yīng)用中取Rth=33 kΩ。

3.2.2 米勒效應(yīng)的消除

在進(jìn)行有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)母線直流電壓超過(guò)一定值后，時(shí)常會(huì)發(fā)生IGBT 過(guò)流故障的輸出，但分析驅(qū)動(dòng)器的上下橋臂的驅(qū)動(dòng)波形輸出，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)直通的情況，經(jīng)分析得知造成這種現(xiàn)象的原因是IGBT的米勒效應(yīng)，IGBT器件寄生的米勒電容CGC在dVCE/dt 下感生開(kāi)通現(xiàn)象。

如圖9 所示，在S1IGBT 導(dǎo)通時(shí)，處于關(guān)斷狀態(tài)下的S2IGBT 兩端的電壓產(chǎn)生突變，由于與其反并聯(lián)的二極管將承受C-E 間急劇變化的電壓dVCE/dt。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流來(lái)給S2IGBT的寄生電容CGC充電，電流值的表達(dá)式為

圖9 米勒電容對(duì)柵極電路的影響Fig.9 Miller capacitance of the gate circuit

電流ID流過(guò)米勒電容CGC、柵極電阻RG、驅(qū)動(dòng)線電阻RG1、雜散電感LG，LG1、關(guān)斷的時(shí)候加的負(fù)偏壓VOFF和直流母線地。此時(shí)柵射極的電壓為

會(huì)產(chǎn)生正電壓脈沖，最壞的情況時(shí)該電壓超過(guò)IGBT 閾值電壓，將出現(xiàn)S2IGBT 寄生開(kāi)通，導(dǎo)致橋臂直通短路。

目前針對(duì)米勒電容引起的寄生開(kāi)通，有如下改進(jìn)措施：盡量縮短驅(qū)動(dòng)線到IGBT 模塊的距離或者驅(qū)動(dòng)電路直接安裝在IGBT 模塊上、盡可能地減小柵極電路回路中的雜散電感、在柵射極之間加1個(gè)電容、開(kāi)通和關(guān)斷用不同的柵極電阻、關(guān)斷時(shí)施加負(fù)柵壓、有源米勒鉗位等。

本文采取在柵射極之間加1 個(gè)電容，如圖7中，在柵極和發(fā)射極加電容。該輔助電容在回路上和米勒電容是串聯(lián)的，減小了米勒效應(yīng)，起到了分流作用，在一定程度上可以吸收驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的毛刺，但是IGBT 總輸入電容等于輔助電容和柵射極電容之和，增加了柵極電荷量，則驅(qū)動(dòng)器輸出功率變大，不僅加大了器件的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，也增加IGBT 損耗。所以該電容的選取應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況而選取一個(gè)合適的值，不應(yīng)太大。

4 實(shí)驗(yàn)效果測(cè)試

圖10a 為通過(guò)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路測(cè)得的IGBT 模塊上下橋臂的驅(qū)動(dòng)波形，驅(qū)動(dòng)波形死區(qū)時(shí)間為7 μs，由波形可以看出完全符合IGBT 的驅(qū)動(dòng)特性，并且投入有源電力濾波器后電源側(cè)電流的波形如圖10b 所示，也可以看出有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波電流的補(bǔ)償。

圖10 驅(qū)動(dòng)與補(bǔ)償效果Fig.10 The drive and compensation result

5 結(jié)論

通過(guò)以上的分析可知，在大功率有源電力濾波器中采用光纖作為控制器與驅(qū)動(dòng)電路之間的接口，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電之間的有效隔離，抑制高壓部分的干擾；同時(shí)2SD315AI作為一款I(lǐng)GBT專用驅(qū)動(dòng)器，具有很好的驅(qū)動(dòng)特性，但由于IGBT工作的特殊要求，所以驅(qū)動(dòng)器的外圍電路以及一些器件參數(shù)要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與選取，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)與保護(hù)。

［1］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.無(wú)功抑制及諧波補(bǔ)償［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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