泰安眾誠自動(dòng)化設(shè)備股份有限公司 閆曉兵

1 引言

絕緣柵型雙極性晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor-IGBT）是一種電壓控制型功率器件，所需驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、導(dǎo)通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力，在中功率及以上的逆變回路中得到廣泛應(yīng)用。

大功率變頻器功率等級(jí)通常為幾百甚至上千kW，主電路瞬時(shí)電流可達(dá)到數(shù)百安培以上，浪涌電壓超幾千伏，靠單個(gè)主開關(guān)器件來滿足要求非常困難。通常，電流越大的IGBT價(jià)格越高，可供選擇的供應(yīng)商越少，價(jià)格也居高不下。這也加大了電源成本和驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性，在試驗(yàn)階段運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)很大，可靠性不高。而低電流的IGBT廠商較多量產(chǎn)時(shí)間久價(jià)格較低，采用多管并聯(lián)提高電流定額以滿足輸出功率等級(jí)要求，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

IGBT作為核心功率器件，其驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于功率變換器至關(guān)重要，直接決定了系統(tǒng)的可靠性和安全性。如何有效地驅(qū)動(dòng)和保護(hù)多個(gè)并聯(lián)使用的IGBT，使其安全高效地工作，已成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

本文以HCPL-316J芯片為核心，設(shè)計(jì)了具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)分析了驅(qū)動(dòng)電路的工作過程及過流保護(hù)過程，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 IGBT的并聯(lián)特性和通斷過程

并聯(lián)的IGBT自身參數(shù)的不一致及電路布局的不對(duì)稱性，會(huì)引起器件電流分配的不均衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使器件失效甚至損壞主電路。IGBT并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，電流分配不均衡主要有兩種：穩(wěn)態(tài)電流不均衡和瞬態(tài)電流不均衡。為避免穩(wěn)態(tài)不均衡，通常要求使用同一廠家同一批次的產(chǎn)品以減少管子的飽和壓降VCE(sat)和輸出特性的不一致，并按一定的比率降額使用，一般應(yīng)降低15～20%[1]。這里主要討論瞬態(tài)電流不均衡。為方便論述，全文所有IGBT數(shù)據(jù)均以英飛凌公司的FF300R06KE3型模塊為例。

影響開關(guān)時(shí)刻電流均衡的主要因素是并聯(lián)IGBT的轉(zhuǎn)移特性即集電極電流和柵-射極電壓的關(guān)系，開啟電壓及開關(guān)延遲時(shí)間不一致將導(dǎo)致開關(guān)時(shí)刻的瞬態(tài)不均衡。當(dāng)應(yīng)用于并聯(lián)的IGBT模塊VGE相同時(shí)，轉(zhuǎn)移特性陡峭的IGBT模塊承擔(dān)大部分的電流，因此會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。

圖1 并聯(lián)IGBT的等效電路

兩個(gè)轉(zhuǎn)移特性一致的管子并聯(lián)的等效電路如圖1所示。門極寄生電感LG1+LG2、器件電容CG1+CG2以及門極電阻RG1+RG2之間存在振蕩電路；IGBT關(guān)斷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)寄生振蕩，并聯(lián)器件不均流，嚴(yán)重時(shí)損壞器件。通常，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的衡量標(biāo)準(zhǔn)Q可以表示為[1]：

Q值要小于0.5時(shí)。

IGBT開通時(shí)間和開通損耗主要取決于門極電阻的大小，合適的門極電阻RG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)也相當(dāng)重要。RG較小可以提高開關(guān)速度降低開通損耗，但太小會(huì)導(dǎo)致較高的di/dt使門極電壓產(chǎn)生振蕩，同時(shí)會(huì)使IGBT的dv/dt減小。RG太大，RGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加，開關(guān)損耗增大。所以，開通過程要求門極電阻的選擇原則應(yīng)是在不引起振蕩的前提下，盡可能小地選擇RG以減小開通損耗。關(guān)斷過程中，RG的影響相對(duì)較小，但是較小的RG縮短了關(guān)斷時(shí)間，減少了所必需的死區(qū)時(shí)間。這就要求關(guān)斷時(shí)RG要在不增大關(guān)斷損耗的前提下盡可能地大。

3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和過流軟關(guān)斷原理分析

HCPL-316J是一款智能型IGBT驅(qū)動(dòng)光耦，集成了UCE飽和壓降檢測(cè)、欠壓鎖定、軟關(guān)斷及故障反饋，采用三重復(fù)合達(dá)林頓管集電極開路輸出結(jié)構(gòu)[2]。

3.1 驅(qū)動(dòng)電路組成

基于光耦芯片HCPL-316J的驅(qū)動(dòng)電路主要由PWM輸入、過流故障輸出、過流檢測(cè)、過流軟關(guān)斷等電路組成。正常工作時(shí)，DSP輸出的6路PWM方波信號(hào)，經(jīng)推挽式光耦驅(qū)動(dòng)電路輸入模塊連接至HCPL-316J，再經(jīng)過其內(nèi)部運(yùn)放比較和光電隔離后產(chǎn)生正向?qū)妷夯蚍聪蜿P(guān)斷電壓來驅(qū)動(dòng)IGBT模塊。當(dāng)IGBT模塊發(fā)生過流故障時(shí)，過流檢測(cè)電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高于7V的電壓反饋信號(hào)給HCPL-3167芯片，過流軟關(guān)斷功能啟用；待柵極電壓緩慢降低后，再封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)反饋故障信號(hào)給DSP的保護(hù)中斷。在DSP發(fā)出復(fù)位指令前，PWM輸出無法到達(dá)HCPL-316J芯片內(nèi)部，從而有效保證了IGBT模塊不會(huì)在故障沒有排除的情況下，因誤動(dòng)作而導(dǎo)通。

IGBT的開通和關(guān)斷由門極和發(fā)射極間的電壓UGE決定，當(dāng)在門極和發(fā)射極加一大于開啟電壓UGE(th)的正電壓時(shí)，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)門極施加一負(fù)偏壓或者柵壓低于門限電壓時(shí)，IGBT就關(guān)斷。當(dāng)UGE較小時(shí)，IGBT通態(tài)壓降會(huì)變大，IGBT就容易發(fā)熱，隨著UGE增大，通態(tài)壓降就降低，IGBT的通態(tài)損耗就降低。當(dāng)UGE很大時(shí)，容易造成門極的擊穿，并且還容易產(chǎn)生擎住效應(yīng)，無法關(guān)斷IGBT甚至損壞器件。一般UGE選取范圍為15～18V。當(dāng)關(guān)斷IGBT時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，UGE取負(fù)偏壓。為了降低關(guān)斷損耗和du/dt誤觸發(fā)，UGE不應(yīng)該太小，典型的取值為-5～10V。

大功率變頻器IGBT模塊并聯(lián)使用時(shí)的整體驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。電路設(shè)計(jì)時(shí)要保證在飽和導(dǎo)通時(shí)，兩管的集電極電流和飽和壓降都應(yīng)該相等，兩管的開關(guān)過程要最大限度地均衡。

3.2 過流檢測(cè)電路

過流檢測(cè)部分的電路如圖3所示。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，HCPL-316J內(nèi)部的電流源從電阻R4、二極管D4、穩(wěn)壓管D1和IGBT的CE兩端回流至管腳VE端。IGBT導(dǎo)通時(shí)過流檢測(cè)電壓VDESAT可以表示為[2]：

其中，VR4為串聯(lián)電阻R4的電壓；VD4為串聯(lián)二極管D4正向?qū)▔航?；VD1為串聯(lián)穩(wěn)壓管D1反向穩(wěn)導(dǎo)壓降；VCE(on)為IGBT導(dǎo)通壓降。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，二極管D1承受反向電壓，此時(shí)電容C2和C3儲(chǔ)存的電荷經(jīng)內(nèi)部MOS管放電為0。

圖2 IGBT多管并聯(lián)的整體驅(qū)動(dòng)電路

圖3 IGBT模塊的過流檢測(cè)電路

當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，額定電流會(huì)在短時(shí)間達(dá)到額定電流的5～6倍，此時(shí)必須關(guān)斷IGBT。而電流的快速增大，也必然使得IGBT的導(dǎo)通壓降跟著快速增大，從而使得檢測(cè)電壓VDESAT大于7伏而啟動(dòng)過流保護(hù)功能。

當(dāng)IGBT發(fā)生關(guān)斷時(shí)，反向二極管處在反向恢復(fù)狀態(tài)，就會(huì)有很大的du/dt加于集電極和發(fā)射極兩端。由于密勒電容的存在，du/dt將在電容上產(chǎn)生瞬間電流，流向門極驅(qū)動(dòng)電路[3]。該電流與門極驅(qū)動(dòng)電阻RG作用，使UGE超過門限值而使器件被誤觸發(fā)導(dǎo)通[4][5]。為了防止門極電壓過高，可以在門極驅(qū)動(dòng)電路的末端安裝兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管，如圖中的R5和R6，其穩(wěn)壓值與正負(fù)柵壓相同，就可以保證門極電壓穩(wěn)定不被損壞。

3.3 過流軟關(guān)斷的工作過程分析

基于HCPL-316J的驅(qū)動(dòng)電路中，采用的是反相觸發(fā)有效。在某一時(shí)刻如果發(fā)生了過流故障，此時(shí)的管腳電平及動(dòng)作時(shí)序過程如圖4所示[2]：

圖4 過流故障時(shí)的觸發(fā)時(shí)序

由于過流故障突然產(chǎn)生，電路中過流檢測(cè)電壓隨著電流的增大而增大。當(dāng)VFAULT>7，電路開啟軟關(guān)斷功能。過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間為正常運(yùn)行到開啟過流保護(hù)軟關(guān)斷的時(shí)間，此段時(shí)間越短則保護(hù)越快速。軟關(guān)斷電路如圖5所示[2]。

發(fā)生過流故障時(shí)，VFAULT信號(hào)仍為高電平，但芯片內(nèi)部50X的MOS管關(guān)斷，1X的MOS管導(dǎo)通，電容電壓經(jīng)1X的MOS管放電實(shí)現(xiàn)緩慢降低柵壓。當(dāng)電壓低于2V時(shí)，50X的MOS管開通，門極電壓快速下降為0時(shí)，VFAULT才會(huì)變?yōu)榈碗娖桨l(fā)送至HCPL-316J的同相輸入端和DSP處理器的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷管腳。由于HCPL-316J的同相輸入端必須要置高才有效，所以一旦故障信號(hào)置低，DSP來的輸入信號(hào)已經(jīng)不起任何作用。這大大提高了IGBT的關(guān)斷響應(yīng)速度。DSP處理器在接收到故障信號(hào)后，再鎖定PWM輸出，可靠關(guān)斷IGBT。輸出電壓VGE保持關(guān)斷直到電路復(fù)位。

圖5 軟關(guān)斷電路

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路原理分析的正確性，搭建了以TMS320F28335為控制芯片的大功率變頻器的IGBT逆變回路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)采用6路HCPL-316J設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)輸入電壓三相AC380V，額定功率為200kW，額定工作電流為385A。IGBT逆變部分采用六塊英飛凌公司的FF300R06KE3型模塊。

過流檢測(cè)電路中R4為100Ω，D1為4.7V穩(wěn)壓管，C2、C4各為47pF電容。此時(shí)電路發(fā)生過流保護(hù)最慢響應(yīng)時(shí)間：

式中ICHG為輸出電流，典型為250uA；VDESAT為正常運(yùn)行時(shí)過流檢測(cè)電壓。計(jì)算可知：

在對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)，當(dāng)電機(jī)負(fù)載突然加大至2倍額定負(fù)載時(shí)，由于阻力矩突然變大，變頻器因其良好的力矩跟隨性而輸出轉(zhuǎn)矩增大；但由于力矩增大過快，尚未達(dá)到額定力矩的2倍即已發(fā)生過流保護(hù)。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電路正常工作時(shí)VDESAT< 7V，故障輸出信號(hào)VFAULT為5V。當(dāng)發(fā)生瞬間過流時(shí)，VDESAT電壓大于7V，故障輸出信號(hào)VFAULT變?yōu)榈碗娖?，VGE經(jīng)過軟關(guān)斷后驅(qū)動(dòng)電壓緩慢下降并最終箝位至負(fù)壓封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖。驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生過流保護(hù)的時(shí)間約為2.6uS，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)大功率變頻器的IGBT并聯(lián)使用的驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路基于HCPL-316J驅(qū)動(dòng)芯片，在發(fā)生過流故障時(shí)可自行啟動(dòng)軟關(guān)斷功能，降低過流瞬間的di/dt，減小關(guān)斷電壓尖峰，有效保護(hù)IGBT模塊。最后，通過樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了過流軟關(guān)斷原理分析的正確性。

本文設(shè)計(jì)的IGBT并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路，空間布置靈活，散熱空間大，且具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過流保護(hù)性能可靠等特點(diǎn)。現(xiàn)該產(chǎn)品已通過工業(yè)性試驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。

[1]吳斌.大功率變頻器及其交流傳動(dòng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]HCPL-316JDatasheet[DB].

[3]王占擴(kuò),樊生文,李正熙,王鵬.基于光耦HCPL316J的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究[J].變頻器世界,2016(07).

[4]蘇偉,鐘玉林,劉鈞,溫旭輝.基于HCPL-316J的IGBT過流保護(hù)研究[J].電工電能新技術(shù),2014(04).

[5]宮鑫,王飛,彭文亮,許強(qiáng)強(qiáng).IGBT驅(qū)動(dòng)電路密勒效應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2018(02).