三電平逆變器IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)

1、三電平逆變器IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)由于三電平電壓型逆變器對(duì)主元件的耐壓要求可降低一半，而且輸出波形好，因而一 出現(xiàn)就顯示了巨大的優(yōu)越性。本設(shè)計(jì)方案中三電平電壓型逆變器由12個(gè)IGBT單元和鉗位二 極管等組成中性點(diǎn)鉗位電路。有三個(gè)電平（+E、0和-E）輸出，在直流中間環(huán)節(jié)電容分壓對(duì)稱(chēng) 時(shí)，就有27種不同的輸出狀態(tài)。由于主電路中有12只IGBT，因此需要12路驅(qū)動(dòng)電路。如 果每路驅(qū)動(dòng)電路采用獨(dú)立開(kāi)關(guān)電源+驅(qū)動(dòng)模塊+IGBT的常用模式，則成本非常高。在這種情 況下，就很有必要設(shè)計(jì)一種廉價(jià)、實(shí)用且有效的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，既能降低成本，又不 至于削弱電路的各種性能。IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求

2、作為三電平逆變器的主要功率開(kāi)關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。所 以設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。理想的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能：要求驅(qū)動(dòng)電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓Vge。正向Vge越高，器件Vces 越低，越有利于降低器件的通態(tài)損耗。但為了限制短路電流幅值，一般不允許Vge超過(guò)+20V。 關(guān)斷IGBT時(shí)，必須為器件提供-5V-15V的反向Vge，以便盡快抽取器件內(nèi)部的存儲(chǔ)電荷， 縮短關(guān)斷時(shí)間，提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。要求驅(qū)動(dòng)電路具有隔離輸入輸出信號(hào)的功能，同時(shí)要求在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí) 或延時(shí)很小。要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻Rg

3、，用以控制Vge的前后沿陡度，進(jìn)而控制 器件的開(kāi)關(guān)損耗。Rg增大，Vge前后沿變緩，IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程延長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)損耗增加；Rg減小， Vge前后沿變陡，器件開(kāi)關(guān)損耗降低，同時(shí)集電極電流變化率增大。因此，Rg的選擇應(yīng)根據(jù) IGBT的電流容量、額定電壓及開(kāi)關(guān)頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有過(guò)壓保護(hù)和dv/dt保護(hù)能力。當(dāng)發(fā)生短路或過(guò)流故障時(shí)，理想的驅(qū)動(dòng)電 路還應(yīng)該具備完善的短路保護(hù)功能。IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)根據(jù)以上對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)及短路保護(hù)電路的討論，本文設(shè)計(jì)了一種具有完善短路保護(hù)功能的隔 離式IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路由兩部分組成：載波部分和驅(qū)動(dòng)部分。載

4、波部分由74HC02、晶振、74LS74、75452和脈沖變壓器組成。利用調(diào)制解調(diào)的原理，脈沖 變壓器既利用高頻信號(hào)傳遞能量，同時(shí)又對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。由或非門(mén)74HC02和晶振構(gòu) 成多諧振蕩器，產(chǎn)生2MHz的高頻載波信號(hào)。由于脈沖變壓器工作在推挽方式下，因此需要 兩個(gè)相位相差180男藕牛琪觸發(fā)器74LS74的兩個(gè)反相輸出端提供兩個(gè)反相信號(hào)驅(qū)動(dòng) 75452。75452是一個(gè)集成驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM1和故障信號(hào)GZ1同時(shí)為高電平時(shí)，與門(mén) 74HC08輸出高電平，75452選通，高頻載波信號(hào)驅(qū)動(dòng)變壓器，將驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)傳 遞到驅(qū)動(dòng)部分。當(dāng)PWM1和GZ1中有一個(gè)為低電平時(shí)，封鎖高頻載波

5、信號(hào)，驅(qū)動(dòng)級(jí)靠?jī)?chǔ)存的 能量維持工作。同時(shí)，脈沖變壓器工作在推挽方式下，還可以將驅(qū)動(dòng)器75452的壓降鉗位在 2倍的工作電壓（即10V）上，以防止過(guò)電壓燒壞75452。驅(qū)動(dòng)部分由 VD廣VD6、C5C8、VZ1、VZ2、C1、R1、V2、R3、V3 和 V4 組成。其中，VD3VD6 作為全橋整流，C5C8為濾波電容，將高頻載波信號(hào)中的能量?jī)?chǔ)存在電容中，用來(lái)提供驅(qū)動(dòng) 功率。VDl和VD2實(shí)現(xiàn)反向全波整流，既避免了與正向全橋整流競(jìng)爭(zhēng)，又可用于分辨驅(qū)動(dòng)信 號(hào)VZ 1和VZ2用于穩(wěn)壓，為后級(jí)電路提供一個(gè)穩(wěn)定的15V電壓。電容C1用于濾波，當(dāng)變 壓器有信號(hào)傳輸時(shí)，C1充電，A點(diǎn)電位為-15V，E點(diǎn)電位變

6、為+15V，V4截止，V3導(dǎo)通，驅(qū) 動(dòng)IGBT；當(dāng)變壓器中的信號(hào)消失，C1放電，A點(diǎn)電位變高，V1導(dǎo)通，C2通過(guò)V1更快放電， 將B點(diǎn)電壓鉗位在-15V，使后續(xù)保護(hù)電路不會(huì)動(dòng)作；同時(shí)V2截止，E點(diǎn)電位變?yōu)?15V，V3 截止，V4導(dǎo)通，IGBT正常關(guān)斷。由于二極管D2和D3反向截止，則電容C3和C4上電壓被 充電至+15V，不會(huì)放電。保護(hù)電路過(guò)壓保護(hù)對(duì)于過(guò)壓保護(hù)采取的措施為：門(mén)極和發(fā)射極之間并聯(lián)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管VZ3和VZ4；門(mén) 極和發(fā)射極之間加門(mén)極發(fā)射極電阻R6；加阻容吸收電路，由D6、R14和C9組成。dv/dt保護(hù)對(duì)于dv/dt保護(hù)采取的措施為：IGBT關(guān)斷時(shí)加足夠的負(fù)柵極電壓（-1

7、5V）；關(guān)斷時(shí)，保證柵 極電阻較小。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，二極管D4使R17和R5并聯(lián)，減小柵極電阻；驅(qū)動(dòng)電路與IGBT 柵極發(fā)射極之間的連線要盡量短，以使柵極發(fā)射極電路電感盡可能小。過(guò)流保護(hù)檢測(cè)IGBT飽和壓降的“延時(shí)搜索過(guò)電流保護(hù)”是一種比較好的方法。它可以迅速檢測(cè)出IGBT 是否過(guò)流并采取保護(hù)措施。根據(jù)IGBT的特點(diǎn)，一個(gè)合理的短路保護(hù)流程如圖2所示。該流程采用延時(shí)2ms緩降柵壓，再延時(shí)10ms封鎖輸入信號(hào)的方案，既保證了能有效排除偶 然的短路信號(hào)引起保護(hù)電路動(dòng)作，又保證了在發(fā)生嚴(yán)重的短路故障時(shí)，能及時(shí)地關(guān)斷IGBT， 防止器件損壞。本設(shè)計(jì)方案中，過(guò)流保護(hù)電路由短路檢測(cè)電路（D1、R2、V1

8、和C2）、2ms緩降柵壓電路（R7、 LM111、VZ7、VZ8、R11、D2 和 C3）、延時(shí) 10ms 封鎖輸入信號(hào)電路（D3、R4、C4、VZ9、6N137 和74HC08 ）組成。下面簡(jiǎn)要介紹該電路的過(guò)流保護(hù)原理：設(shè)IGBT 已正常導(dǎo)通，則V1和V2截止，V3導(dǎo)通，V4截止；B點(diǎn)電壓穩(wěn)定在+3V左右（IGBT 正常導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降），C、D點(diǎn)電壓穩(wěn)定在+15V左右。當(dāng)IGBT過(guò)流時(shí)，飽和壓降增加， D1反向截止，則C2通過(guò)R2被充電，兩端電壓逐漸增大。當(dāng)C2電壓高于比較器設(shè)定的比較 電壓時(shí)，比較器LM111輸出高電平，VZ7和V5導(dǎo)通，C點(diǎn)電壓被鉗位至10V，則E點(diǎn)電壓變 為+10V，

9、從而起到了緩降柵壓的作用。至于緩降柵壓的時(shí)間，則由電容C2上的電壓由+3V 上升到電壓比較器的設(shè)定值（即穩(wěn)壓管VZ6的穩(wěn)壓值）的時(shí)間間隔決定。當(dāng)IGBT柵極電壓降低到+10V后，過(guò)電流允許時(shí)間一般為10ms。如果在10ms內(nèi)故障消失， IGBT飽和壓降降低，則D1導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓降低，比較器輸出低電平，電路恢復(fù)正常工作。 如果在10ms內(nèi)故障未消失，則C2繼續(xù)充電，當(dāng)大于一設(shè)定值（VZ9的穩(wěn)壓值+6N137的壓降 +V6的壓降）時(shí)，V6導(dǎo)通，C4通過(guò)R4放電，使得D、E點(diǎn)電壓逐漸降低至-15V，V3截止， V4導(dǎo)通，IGBT被慢速關(guān)斷。同時(shí)6N137輸出故障信號(hào)（為低電平），與門(mén)74HC08輸出

10、低電平， 75452關(guān)斷，封鎖PWM1和高頻載波信號(hào)，起到了雙重保護(hù)作用。電路參數(shù)設(shè)置及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)雖然理論上載波信號(hào)的頻率越高越好，這樣變壓器可以選擇得更小。但考慮到分立器件本身 的響應(yīng)速度，一般選擇2MHz以下的頻率，不宜過(guò)高。本設(shè)計(jì)方案中采用1MHz的載波信號(hào)頻 率。設(shè)計(jì)時(shí)，為減少功耗，D觸發(fā)器采用的是CMOS集成電路74HC74。但在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，采 用74HC74導(dǎo)致載波電路中的噪聲很大，使得變壓器的發(fā)熱嚴(yán)重。在衡量利弊得失后，最終 采用TTL集成電路74LS74。由于載波頻率很高，脈沖變壓器的體積可以做得很小。該設(shè)計(jì)中，采用市售的脈沖變壓器骨 架和磁芯，自己繞制變壓器，其原副邊匝

11、數(shù)比為1:3。為了減少漏感，除繞組均勻繞在磁芯 骨架上外，更有效的方法是采用雙線并繞，可以顯著降低漏感，初、次級(jí)繞組都是并聯(lián)繞后 串聯(lián)使用。當(dāng)繞組各層高度不等、相互錯(cuò)開(kāi)時(shí)，漏感也會(huì)加大，這是不希望的。所以繞線時(shí) 特別注意要嚴(yán)格按照工藝紀(jì)律執(zhí)行，注意繞組各層次高度不能塌線，互相錯(cuò)開(kāi)。由于載波頻率達(dá)到1 MHz，因此變壓器次級(jí)整流二極管的反向恢復(fù)速度顯得極為重要。普通 的快恢復(fù)二極管由于反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致整流橋的橋臂上下直通，形成瞬間短路，并導(dǎo) 致初級(jí)有一個(gè)瞬間的大電流，使75452處于過(guò)載狀態(tài)，不能長(zhǎng)時(shí)間工作。本方案中采用 1N4148，它的反向恢復(fù)時(shí)間為8ns，完全滿(mǎn)足電路要求。為了縮短驅(qū)

12、動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間，可以將C1取得小些；由于整流二極管還是有一定的反向恢 復(fù)時(shí)間，因此需要對(duì)A點(diǎn)的信號(hào)濾波，否則紋波可能會(huì)導(dǎo)致V1和V2誤導(dǎo)通。為了有足夠的 濾波能力，C1的取值需要折衷，以得到最佳效果。由圖l可知，啟動(dòng)保護(hù)電路的過(guò)電流應(yīng)對(duì)應(yīng)一個(gè)IGBT飽和壓降，所以可通過(guò)調(diào)整VZ6的穩(wěn) 壓值來(lái)設(shè)定比較器的比較值。當(dāng)B點(diǎn)電壓，即IGBT飽和壓降大于此值時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路啟 動(dòng)。緩降柵壓的延遲時(shí)間（從過(guò)流開(kāi)始到柵極電壓由+15V降到+10V所需的時(shí)間），可通過(guò)選擇電 阻R2和電容C2的值來(lái)確定。其中，Vsat為IGBT正常飽和壓降，Vsat2為比較器的設(shè)定值。本方案中，Vsat2 = +5 V。 V

13、Z5的作用是：把IGBT過(guò)流時(shí)B點(diǎn)的最終電壓鉗位在+15V，以免過(guò)電壓燒壞LM11LVZ8的 作用是：把IGBT過(guò)流時(shí)C點(diǎn)的最終電壓鉗位在+10V，即緩降柵壓后驅(qū)動(dòng)IGBT的柵壓值。 降低柵極電壓后的搜索時(shí)間（柵極電壓為+10V時(shí)的延遲搜索時(shí)間）t2可通過(guò)穩(wěn)壓二極管VZ9 的值Vz9來(lái)設(shè)定。Vz9其中，1.2V為6N137的壓降，0.6V為V6的壓降。慢速關(guān)斷時(shí)間（柵極電壓由+10V降低到-15V的時(shí)間）t3可通過(guò)改變電阻R4來(lái)設(shè)定。t3由電 容C4通過(guò)R4的放電速度決定。C4的電壓初始值為+15V，關(guān)斷后加在柵極上的電壓可通過(guò) R3和R4的值來(lái)決定。結(jié)語(yǔ)該驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、可靠，成本低廉，輸入輸出信號(hào)傳輸延時(shí)小。