基于2SD315AI的靜電除塵用高頻高壓電源研制

魯 通， 馬建榮 ， 陳 峰， 曾慶軍

（1.江蘇科技大學 電信學院，江蘇 鎮江 212003；2.鎮江天力變壓器有限公司 江蘇 句容 212400）

伴隨國家新的排放標準的出臺，傳統的工頻除塵系統已經很難滿足。目前，為了提高靜電除塵器的除塵效率，節省系統的能耗，高頻高壓靜電除塵電源越來越受到人們的關注。隨著大功率高頻電源在除塵系統中的應用，除塵效率得到提升，系統的功耗也有一定程度的下降。高頻靜電除塵電源作為整個靜電除塵系統的核心，其性能的好壞決定著整個系統的效率。

文中給出了高頻靜電除塵系統的結構，對電路的各個模塊進行了分析說明。針對大功率高頻高壓靜電除塵的要求，介紹了一款適合于大功率IGBT的驅動模塊，給出了驅動電路的原理圖并對該電路的工作原理進行了分析和說明。最后，對設計的高頻大功率IGBT驅動電路進行了實驗驗證。

1 系統組成

大功率高頻高壓靜電除塵電源的系統框圖如圖1所示。電源系統主要由三相整流電路、全橋逆變電路、高頻升壓整流電路、控制電路、驅動電路和采集電路組成。

圖1 高頻電源的系統框圖Fig.1 System of high-frequency power

2 電源主電路設計

電源主電路圖如圖2所示，三相工頻電源經過交流電抗器后進入整流濾波電路后轉化為直流電，經過串聯諧振的全橋逆變電路后得到高頻電壓，最后通過高頻變壓器升壓和高壓硅堆整流后加載到負載上。圖中C0和R0分別表示除塵負載的等效電容和等效電阻。

電路中，整流電路采用三相全橋不控整流模塊。高頻逆變器的功率開關管采用IGBT，它具有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的通態功耗低等優點。系統采用了LCC串并聯諧振技術，該技術有效地降低了功率器件損耗增強了系統的可靠性，延長了系統的使用壽命。作為整個系統的關鍵組成部分，高頻整流變壓器性能好壞嚴重影響了電源的效率和壽命。高頻變壓器采用鎮江天力變壓器有限公司生產的DHR13系列高頻整流變壓器，額定直流輸出電壓80 kV，額定直流輸出電流1.2 A。該高頻整流變壓器采用鐵基納米晶合金帶材鐵心，內置高壓硅堆，采用油冷的方式，性能穩定可靠，很好的滿足了大功率高頻高壓除塵電源的要求。

圖2 電源主電路圖Fig.2 Main circuit of the high-frequency power

3 控制電路設計

控制電路是逆變電路的核心，主控芯片產生20KHz的脈沖波，經過升壓調理電路送至驅動模塊，驅動模塊將信號送至IGBT，完成對IGBT的開通和關斷。當逆變電路出現故障時，驅動模塊自動產生故障反饋信號，經過故障反饋電路后送至主控芯片。驅動控制電路的結構圖如圖3所示。

圖3 驅動控制電路的結構圖Fig.3 Structure of the driving and control circuit

主控芯片為TI公司生產的TMS320F2812系列DSP,采用內部的事件管理器（EV）模塊中定時器1的周期寄存器、比較寄存器和計數器產生20 kHz的脈沖信號。通過定時器控制寄存器A設定合適的死區時間[3]。

TMS320F2812系列DSP所產生的脈沖波信號的電平僅為3.3 V，不能直接供給驅動芯片，必須經過3.3 V轉15 V調理升壓電路后才能使用。調理電路如圖4所示。

DSP產生的20 kHz脈沖波信號經過光耦6N137隔離后，再經過三極管的放大作用轉換為驅動所需要的高電平脈沖波。為防止過電壓損壞器件，在輸出側加上一個15V的單相瞬態抑制二極管。

故障反饋如圖5所示，電路采用光電隔離結構，可有效抑制電路的噪聲。電路中采用R6作為限流電阻，當系統出現故障后，驅動芯片2SD315AI的狀態位SO1被拉為低電平，則光耦的6號引腳輸出為3.3 V的高電平。

圖4 3.3 V轉15 V電路原理圖Fig.4 Level conversion circuit

圖5 故障反饋電路原理圖Fig.5 Fault feedback circuit

4 基于2SD315AI的驅動電路設計

為保證逆變模塊的可靠工作，系統采用CONCEPT公司生產的2SD315AI系列驅動模塊為IGBT提供驅動信號。該模塊適用于1 200 V和1 700 V耐壓的IGBT，具有短路保護和過流保護，具有極高的可靠性和長使用壽命，門及驅動電流高達15 A，電氣絕緣高達4 000 Vac，

具有隔離的電氣接口，具有供電電源監視和器件自檢功能。

2SD315AI有兩種工作模式：半橋模式和直接模式[4]。直接模式下，需要將模塊的5號引腳和7號引腳接地，8號引腳接高電平，在這種1模式下兩路輸入通道是相互獨立的，即INA影響通道1，INB影響通道2。直接模式下，死區時間通過程序給定。半橋模式下，輸入信號INA和INB具有如下功能：INA作為PWM輸入，INB具有釋放PWM功能[5-6]。半橋模式下，通過外接RC網絡，SCALE驅動器能夠生成100納秒到幾微秒的死區時間。本系統采用直接模式，系統的驅動電路如圖6所示。

圖6 驅動電路原理圖Fig.6 Principle of driving circuit

電壓監視電路采用SCALE驅動推薦電路，當供電電壓超過12.7 V時，驅動模塊正常工作，當電壓低于12 V時，模塊關斷。INA、INB為電路的兩路輸入信號，輸入電壓為+15 V。SO1、SO2為兩路狀態反饋信號，正常輸出為高電平[7-8]。為防止兩路脈沖同時為高電平導致同一橋臂的IGBT直通，在驅動輸入側添加了互鎖電路，當其中一路為高電平時，強行將另一路拉低，保證系統的可靠工作[9]。

IGBT的門極電阻過大時，系統的損耗增大，過小時IGBT的電流尖峰較大，容易損壞器件，通過實驗，選取合適的門極電阻。考慮器件的輸出能力，門極電阻需滿足公式1。

式中，VSS為驅動模塊輸出的最低電壓，Iomax為流過門極電阻的最大電流，Rg_int為IGBT內部的等效門極電阻。

參考電阻的選取可參照式（2）。

式中，Vth為關斷閾值電壓。選取關斷閾值電壓為5.85 V，計算得Rth應取39 kΩ。

5 實 驗

實驗測得輸入信號INA、INB的波形如圖所示，從測得的波形圖7可以看出經過升壓調理電路后，電壓的最大值近似為+15 V，兩通道之間的死區時間約為4μs。

采用示波器測得G、E間的電壓波形如圖8所示，電壓VGE的最大值為+16 V，最小值為-11.3 V，滿足了IGBT的開通和關斷。

當給整個系統加載200 V電壓空載時，逆變輸出的波形如圖9所示，產生電壓約200 V頻率為20 kHz的方波信號。其中，示波器探頭打到10倍衰減擋。

圖7 輸入實測波形Fig.7 Input waveform

圖8 驅動輸出電壓波形Fig.8 Output voltage waveform of the driving circuit

圖9 系統空載實測逆變輸出波形Fig.9 Waveform of inverter without load

6 結 論

通過上述實驗得知，2SD315AI驅動芯片能夠很好的驅動大功率IGBT，具有很好的保護功能，可有效地減少電路設計，提高系統的效率和可靠性，是一種高效可靠的大功率驅動器件，在高頻高壓靜電除塵電源中具有很高的應用價值。

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