基于IGBT斬波電路的大功率負載研究

孟繁偉，常鐵原，張 苑

（河北大學 電子信息工程學院，保定 071000）

基于IGBT斬波電路的大功率負載研究

孟繁偉，常鐵原，張 苑

（河北大學 電子信息工程學院，保定 071000）

0 引言

PWM斬波電路因其功率因數高、可控性好而廣泛用于電力電子行業。作為斬波電路的優勢開關器件[1]，絕緣柵雙極晶體管IGBT綜合了GTR和MOSFET的優點，具有通流能力強、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好、驅動功率小等特點。IGBT是一種電壓控制型電力電子器件，通過控制柵極電壓能穩定控制其導通與關斷，從而實現電壓調節。IGBT的驅動與保護是其主要研究問題，尤其是大功率條件下，如果IGBT的導通和關斷時間增加，必然造成損耗增大。良好的驅動電路應使其處在較理想的開關狀態且禁止誤導通。主要研究IGBT斬波電路在大功率模擬負載中的應用，說明驅動電路和保護電路的設計思路。

1 斬波電路設計

1.1 器件選擇

在實際工程中，常需要在市電條件下用大功率負載產生短時間大電流。該電流往往可調[2]，以便用于對某些設備的測試和研究。本模擬負載單路能提供最大50A的電流，功率達14KW并可根據實際需求多路并聯。

IGBT選擇仙童公司的FGY75N60SMD，該器件集射間耐壓600V，內含保護二極管，可防止IGBT導通瞬間的浪涌。TC=25℃時最大通過電流為150A，TC=100℃時為75A。由于極間存在納法級電容，而IGBT輸入阻抗無窮大，因此柵極注入一定正電荷使柵極電壓大于導通電壓，IGBT即可導通，且導通程度深，開關特性好。柵極耐壓值為±20V，柵射導通壓降典型值為5V。

根據該管特點及電路設計要求，選擇IR公司的IR2125作為IGBT驅動芯片。該芯片采用先進的高壓集成電路和無閂鎖CMOS技術制作，源電流達1A，匯電流達2A，高側浮動電源電壓VB達525V，輸出柵極驅動電壓為12～18V。自舉模式時，能工作在幾十赫到幾百千赫的頻率范圍內。輸入電流典型值為4.5μA，易驅動。由于內部采用了自舉技術，驅動芯片可以驅動工作于高端和低端的N溝道MOSFET或IGBT。具欠壓自鎖功能，可實現自身欠壓保護。輸入邏輯電平兼容2.5V、5V和15V，輸出與輸入同相。

多路IGBT并聯時，需多個IR2125作驅動器，為彌補單片機輸出的PWM驅動能力不足的問題，選取高速單通道光耦6N137作第一級驅動器。其轉換速率達10Mbit/s，集電極開路反相輸出，扇出系數為8，工作電流典型值為5mA，輸出典型值為13mA，延遲時間為75ns。

1.2 驅動功率計算

輸入電容Cies、輸出電容Coes和反向電容Cres是影響IGBT驅動功率的三個重要參數。IGBT完全開啟，需使Cies和Cres充滿電，Coes完全放電。這些參數的影響，最終體現在柵極電荷Qg上，因此驅動電路設計中最重要的參數是Qg。單個IGBT所需驅動功率可據式（1）得到：

其中f=100KHz，Qg=248nC，ΔU=15V，則功率P=0.37W。

1.3 柵極電阻選擇

驅動芯片與IGBT柵極間串接電阻Rg在驅動電路[3]的設計中十分重要。原因如下：

1）IGBT柵極和射極間存在結間電容，柵極回路中存在寄生電感，若不串接柵極電阻，柵極回路在脈沖的激勵下會產生強烈振蕩，串接電阻可加速衰減。

2）若不串接柵極電阻，IGBT導通會產生電壓鉗位，驅動芯片功耗變大，易燒毀。

3）IGBT的開關速度受柵極電阻影響，柵極電阻小則開關速度快，損耗小；反之則速度慢，損耗大。經測試，Rg為20Ω時PWM波形好，芯片發熱量小。

4）柵極電阻的功率由IGBT的柵極驅動功率決定，功率降在Rg上能夠降低驅動芯片的功耗。單路IGBT驅動功率為0.37W，選擇1W電阻即可。

1.4 柵極驅動電流

IR2125輸出電流典型值為1A，因此要將柵極電流限定在1A以內。柵極電流可據式（2）得到：

當柵極電阻Rg=20Ω時，IG=0.75A，IR2125能夠滿足驅動所需。

1.5 欠壓自鎖電路與自舉工作模式

IR2125內部集成欠壓自鎖電路[4]，當管腳VB與VS間電壓低于限定值10.4V時，欠壓自鎖電路便將輸出關斷。當電壓值再次高于限定值后，輸出保持自鎖狀態，直到輸入狀態發生變化輸出才回到正常狀態。

圖1 單路驅動電路

D1為自舉二極管，C6為自舉電容[5]。電源通過D1向C6充電，C6儲存足夠電荷以保證驅動能力。為使管腳VB與VS間電壓高于限定值，應使開關頻率大于幾十赫茲，否則C6上的壓降會造成兩管腳間的電位差低于限定值。D1選取快恢復型二極管FR307，其最大反向電壓1000V，最大平均正向電流3A，最大正向浪涌電流200A，最大反向漏電流10μA，最大反向恢復時間500ns。FR307反向漏電流小，可減少C6對電源的反饋電荷。圖1為其中一路驅動電路，R1為限流電阻，R2為上拉電阻。

1.6 IGBT電路設計

IGBT的一個重要參數為最大開關頻率，該參數由關斷延遲td(off)確定，據應用經驗，最小開關時間約為關斷時間的40倍。該管的關斷延遲典型值為136ns，據經驗值可得最大開關頻率約為180KHz，因此該器件滿足開關頻率要求。

此外，設計IGBT電路時還應注意以下五點：

1）柵極耐壓值為±20V，柵極和地間對接兩個18V/1W穩壓管，使柵極電位限制在18.7V內。

2）柵極輸入阻抗為無窮大，充電電荷可長時間存于輸入電容中，易引起誤導通。柵極和地間接一個10KΩ/0.25W電阻，極間電容和電阻便形成回路，將電荷快速釋放。

3）驅動電路提供100KHz方波，柵極電容快速充放電，在柵極和地間接10μF電容保護柵極[6]。

4）集射間加濾波電容，實驗證明容值為0.033μF時濾波效果好，D4和D5起保護和續流作用。

5）多路直接并聯時，分流不均現象會導致分流大的管子燒毀，加入功率電阻進行均流[7]，實驗證明均流電阻壓降為管子門檻電壓的1/5為好。此時電流為50A，門檻電壓為5V，據歐姆定律得均流電阻RCS為0.02Ω。當某一路電流增大，均流電阻電位增大、柵射間電壓減小、導通程度變小、集射間電流減小，最終各路實現均流。

負載電阻選取大功率繞線電阻，實驗證明，1s內6Ω/300W的繞線電阻RL即可滿足50A電流狀況，電阻可根據實際并聯得到。調整占空比可改變電壓和電流有效值，計算過程如式(3)～式(5)所示。

D為PWM波占空比，U0為整流后電壓VL，I0為直流下單路電流，P為直流下單路功率，U為改變占空比后電壓，I為改變占空比后單路電流。

據上述公式，5路IGBT并聯可提供100～750A電流。圖2為其中一路斬波電路，為了保護主板芯片，加入隔離型升壓DC-DC，將斬波電路和其余部分的公共端分開并升壓至+15V。利用三端穩壓芯片78L05產生+5V電壓。

圖2 單路IGBT斬波電路

2 PWM波發生

2.1 發生器件選擇

PWM波跳變沿理想程度是影響IGBT開關特性的重要因素。采用內部集成可編程計數陣列PCA的單片機C8051F340作為PWM發生器，PCA提供增強的定時器功能，更加精確，跳變沿更加理想。

2.2 原理與算法

PCA由一個專用的16位計數器/定時器和5個16位捕捉/比較模塊組成，有8位、16位兩種脈寬調制器，為得到較高頻率，選擇8位脈寬調制器。PWM輸出信號頻率取決于PCA的時基，使用捕捉/比較寄存器PCA0CPLn能改變PWM輸出信號的占空比。當PCA的低字節PCA0L與PCA0CPLn中的值相等時，輸出置高；當PCA0L中計數值溢出時，輸出為低。8位脈寬調制方式產生的PWM頻率由式（6）給出。

f0為PCA時基信號，選擇24MHz時鐘，則PWM頻率為93.75KHz。

占空比D是高電平在一個周期內所占的時間比，此處由式（7）給出。

PCA0CPHn為初值，據公式可得占空比調節范圍為0.39%～100%。

程序中設置占空比為變量，根據占空比反算出PCA0CPHn并對其賦值。利用定時器中斷控制PWM波保持時間。

3 結束語

設計了穩定的斬波電路，加入了合理的保護，多路并聯使用可滿足大功率需求。利用單片機產生占空比和保持時間可調的PWM波，能夠有效控制回路中電流大小，從而滿足不同設備的要求。為某些市電設備的在線測試提供了一個解決思路。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2008.

[2]劉志剛,和敬涵.基于電流型PWM整流器的電子模擬負載系統研究[J].電工技術學報.2004,19(6):74-77.

[3]王永,沈頌華.一種簡單的IGBT驅動和過流保護電路[J].電測與儀表,2004,41(4):25-27.

[4]喬納森·亞當斯.使用電流感應IR212X柵極驅動IC[J].電子質量,2002,(5):63-65.

[5]楚斌. IR2110功率驅動集成芯片應用[J].電子工程師,2004,30(10):33-35.

[6]王世杰.IGBT柵極驅動技術探討[J].光學精密工程, 2000,8(1):76-78.

[7]查申森,鄭建勇,蘇麟,等.大功率IGBT并聯運行時均流問題研究[J].電力自動化設備,2005,25(7):32-34.

High-power IGBT chopper circuit in the application of the low voltage electric leakage check

MENG Fan-wei, CHANG Tie-yuan, ZHANG Yuan

介紹一種用于實際工程的大功率負載，該負載基于IGBT斬波電路。與傳統模擬負載相比，該電路的特點是電流大，功率高。采用C8051F340產生占空比及保持時間可調的PWM波，用于調整電流大小。為IGBT設計了可靠的隔離電路，將CPU部分與IGBT部分隔離。設計了穩定的保護電路，可以避免IGBT燒毀。為IGBT并聯選擇了合適的均流電阻，控制其導通程度。選擇高頻率IGBT作為開關器件，使其工作在100KHz左右。利用單片機控制PWM的保持時間，保護IGBT的同時增加了測量的準確性。

IGBT斬波；大功率；可調可控

孟繁偉（1988 -），男，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事信號檢測與處理研究。

TN710

B

1009-0134(2014)06(上)-0154-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).44

2013-12-09