一種IGBT集電極電壓測量電路的設計

任強 孫馳 胡亮燈 陳玉林

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033)

一種IGBT集電極電壓測量電路的設計

任強 孫馳 胡亮燈 陳玉林

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033)

由于大功率IGBT開通和關斷集-射電壓具有跨度大的特點,現有的大功率IGBT驅動檢測電路無法同時實現寬范圍、高精度的測量。為此提出了一種新的IGBT集電極開通和關斷電壓集成的測量電路。該電路通過電阻分壓網絡實現IGBT關斷電壓的測量;利用驅動信號來控制電流源向高壓隔離二極管注入微小電流使其導通,并對此二極管誤差進行補償,實現IGBT導通飽和壓降的精確測量。仿真和試驗驗證了設計電路的正確性和有效性,可為高壓大功率IGBT高性能驅動器的研制奠定基礎。

IGBT 集電極電壓 飽和壓降 電流源 測量

0 引言

現代變流系統中,大功率IGBT及其驅動器得到了廣泛的應用。集電極電壓作為IGBT的一個重要電氣參數,對IGBT的正常運行有著重要作用[1]。目前,集電極電壓主要應用在模擬式IGBT驅動器保護控制電路中,這些應用對集電極電壓精度要求不高。隨著數字式IGBT驅動技術的出現,IGBT集電極電壓的寬范圍、高精度測量和數字化,是數字式驅動器實現有效控制的基礎,對判斷IGBT是否短路、過流和過壓等故障及結溫在線估計,對變流器少傳感器或無傳感器控制及變流系統安全可靠運行起著重要作用[2]。

IGBT集電極關斷、導通電壓跨度大,對測量精度要求不同,特別是要通過飽和壓降來進行狀態識別和結溫估計,需要飽和壓降測量精度在幾十毫伏量級[3-5]。現有的一些測量電路和測量方法只能實現一種電壓狀態的測量或測量精度難以滿足應用要求[6-10]。本文提出了一種IGBT集電極電壓測量方法,測量電壓范圍寬、低壓測量精度高,測量結果滿足實際應用需要。

1 集電極電壓測量電路原理

根據IGBT關斷和開通時的集電極電壓跨度大、兩種狀態電壓測量精度要求不同的特點,用兩個測量支路分別對關斷電壓和導通壓降進行測量。集電極電壓測量電路原理如圖1所示。

圖1 集電極電壓測量電路原理圖Fig.1 Principle of the collector voltage measurement circuit

圖1中,T1為待測IGBT;IGBT關斷時的關斷電壓測量支路由電阻R1、R2組成;IGBT導通時飽和壓降測量支路由二極管D1、D2,開關S,電流源I1、I2及電阻R2組成。D1、D2為同型號二極管,開關S由IGBT門級驅動信號控制。D3為測量輸出穩壓管,保護輸出后級電路。UOUT為測量輸出電壓。

1.1 穩態時關斷電壓測量

當IGBT關斷時,S斷開,D1承受反壓而截止。此時, IGBT集電極關斷電壓測量支路可簡化為圖2所示電路。

圖2 IGBT集電極關斷電壓測量電路Fig.2 Measurement circuit of IGBT collector turnoff voltage

圖2中,集電極關斷電壓經R1、R2分壓,在R2上得到測量輸出電壓UOUT:

式中:UCEoff為IGBT關斷集電極電壓;UOUT為IGBT關斷測量電路輸出電壓。

由于IGBT的關斷電壓很高,且要使測量支路功耗盡量小,因此,R1為耐高壓大電阻,R2阻值較小。R1幾乎承受全部的集電極關斷電壓,R2根據后級處理電路的輸入限值而定。基于電阻功率和耐壓能力的限制,R1可由幾個同型號耐壓較高的電阻串聯而成。

1.2 穩態時飽和壓降測量

當IGBT導通時,S閉合,電流源I1、I2導通二極管D1、D2。由于IGBT導通電阻相對于R2(千歐級)很小,故在IGBT導通后,I2幾乎全部流經D1,I1全部流經D2。R1阻值很大(兆歐級),相對于二極管導通電阻,可認為R1開路。因此,在IGBT導通下,圖1所示集電極電壓測量電路可簡化為圖3所示電路。

圖3 IGBT集電極飽和壓降測量電路Fig.3 Measurement circuit of IGBT collector saturation voltage drop

此時,飽和壓降測量電路有如下電壓關系:

式中:UD1、UD2分別為二極管D1、D2導通壓降;UCEon為IGBT導通集電極飽和壓降;UOUT為IGBT飽和導通下測量電路的輸出電壓。

考慮到二極管導通壓降受IGBT工況的變化而變化,要實現IGBT集電極飽和壓降的精確測量,需要對二極管進行誤差修正。根據二極管正向導通壓降u滿足如下關系式:

式中:i為二極管正向導通電流;T為環境溫度;IS為二極管反向飽和電流;q、k為常數。

從式(3)可以得出,二極管導通壓降受環境溫度以及正向導通電流影響。當兩同型號二極管在相同環境溫度下,通以相同的正向電流時,兩二極管的正向導通壓降基本相同。

基于以上分析,由于二極管D1、D2相隔很近,所處的環境溫度基本相同,當電流I1、I2大小相等時,兩二極管導通壓降基本相等,即:

代入式(2),可得到IGBT導通飽和壓降測量值UOUT:

此測量支路在基于文獻[9]中的退飽和電路上,通過反向串聯相同的二極管D2,并通以相同的電流,利用D2導通壓降的反向補償,可以較好地消除由二極管導通壓降引入的誤差。此方法理論上可以得到精確的飽和壓降值,測量精度高。

電流源I1、I2通過鏡像電流源電路實現,如圖4所示。

圖4 鏡像電流源電路Fig.4 The circuit of current mirror source

當調節電阻R時,可以改變流過R的基準電流IR的大小,從而得到需要的輸出電流I:

式中:UCC為電流源供電電源;UBE為基-射電壓;R為鏡像電流源參考電阻。

此鏡像電流源對三極管精度要求較高,要達到較為理想的電流鏡像,需要兩個PNP管的參數高度一致。故在實際設計中,輸出電流存在一定的誤差。在實際應用中,可以用電流源芯片代替鏡像電流源電路,電路更簡單,效果更好。

1.3 測量電路開關過渡過程分析

由于IGBT開關過渡過程很快,當集電極電壓在關斷高電壓和飽和低電壓兩種穩態間切換時,快速變化的集電極電壓會對測量結果產生一定的影響。

當IGBT關斷時,集電極電壓迅速上升,二極管D1反向恢復。此反向恢復電壓較高,會在R2上產生瞬間高壓尖峰,給后級電路造成破壞。因此,為保證測量電路的安全可靠,在輸出端并聯穩壓二極管,對瞬時尖峰進行抑制。同時,由于電流源電路及線路分布電容的影響,關斷后瞬間,測量輸出電壓滯后實際關斷電壓。為解決此現象,可在R1兩端并聯一小電容,補償因分布電容對IGBT關斷集電極電壓造成的滯后。

當IGBT開通時,集電極電壓迅速下降,二極管D1承受的反向電壓迅速減小。同時S閉合,I1、I2全部流經D2,在R2上產生恒定輸出電壓。當IGBT集電極電壓下降到和輸出電壓相等時,I2從D2支路換流到D1支路,測量電路進入飽和壓降的測量狀態。

2 仿真研究

為驗證所設計的測量電路的有效性,根據設計方案,基于PSPICE16.3,對圖1所示集電極電壓測量電路進行了仿真。仿真參數:IGBT為三菱公司CM400HA-34H型模塊,R1=6 MΩ,R2=30 kΩ,I1、I2=1 mA。仿真結果如下。

①不同母線電壓下仿真結果。在母線電壓分別為400 V、800 V和1 200 V時,IGBT關斷和開通集電極電壓及其測量波形仿真結果如圖5所示。

圖5 不同母線電壓時集電極電壓仿真波形Fig.5 The collector voltage simulation waveforms under different bus voltages

圖5(b)中,對不同的母線電壓情況,根據式(1),將測量值乘以比例系數后與集電極電壓實際值作對比。可以看出,集電極關斷電壓測量值和實際值相差約10 V,說明測量電路能較好地跟蹤母線電壓的變化,測量范圍可根據實際需要進行參數調整。從5(c)中可以看出,當母線電壓增加時,IGBT飽和壓降也增加。飽和壓降測量值和實際值重合性好,測量誤差小于10 mV。

②不同溫度下仿真結果。母線電壓800 V、負載電流100 A、仿真溫度由0～150℃變化時,穩態下IGBT導通飽和壓降實際值和測量值波形如圖6所示。

圖6 飽和壓降隨溫度變化情況Fig.6 Variation of saturation voltage drop with temperature

從圖6可以看出,隨著溫度的升高,IGBT集電極飽和壓降值會升高,而飽和壓降仿真測量值能很好地跟蹤飽和壓降實際值的變化,實現高精度測量。

從以上仿真結果可以得出,此測量電路能較精確的測量IGBT關斷和開通時的集電極電壓。

3 試驗研究

為了進一步驗證測量電路的正確性,設計了測量電路板,并基于Buck電路進行了試驗驗證。試驗中, R1由6個1 MΩ/500 V電阻串聯而成;R2的阻值為30.1 kΩ;I1、I2均設計為1 mA;IGBT為英飛凌FZ1500R33KF2C模塊;高壓探頭為PINTECH DP-50差分探頭以及通用低壓探頭。試驗中通過電容的儲能和瞬間放電來得到大電流。隨著電容的放電,電容電壓降低。

本試驗中,用高壓探頭和低壓探頭分別測量高壓下的關斷電壓實際值和測量輸出值,并根據式(1),將測量值乘以比例系數后與實際值作對比,以驗證關斷電壓的測量準確性。由于高壓探頭的低壓測量精度不高,無法對集電極飽和壓降實際值進行精確測量。因此,根據IGBT在高壓下的飽和壓降等效于低壓大電流下的飽和壓降,在驗證飽和壓降測量準確性時,以低壓大電流模擬高母線電壓下的飽和壓降,用兩個低壓探頭分別測得飽和壓降實際值和測量輸出值,并將測得的實際值和測量值作對比,以此驗證飽和壓降測量的準確性。試驗分以下兩步進行。

①母線電壓為2 000 V,負載為1 mH感性負載,驅動脈沖為雙脈沖,關斷電壓的試驗波形如圖7所示。

圖7 IGBT關斷時集電極電壓測量波形Fig.7 Measurement waveforms of IGBT collector voltage(turn off)

圖7中,第400～600 μs為IGBT關斷期間。在IGBT關斷瞬間,由于二極管的反向恢復,使得集電極電壓測量值和實際值出現關斷尖峰。同時,由于高壓測量支路分壓電阻較大,且受寄生電容的影響,測量值較實際值有40 μs的延時,其后測量值能很好地跟隨實際值,測量誤差在20 V以內。試驗結果和仿真結果吻合。

②母線電壓為150 V,負載為0.1 mH電感,大電流下對IGBT飽和壓降進行測試,其飽和壓降測量結果如圖8所示。

圖8 IGBT導通時集電極飽和壓降測量波形Fig.8 Measurement waveforms of IGBT collector saturation voltage drop(turn on)

圖8(a)中,第0～1.6 ms和2.0～2.8 ms為IGBT導通期間。由于示波器的量程選擇較小,集電極電壓波形被截斷,不顯示更高電壓值。從圖8(a)可以得出,IGBT集電極電流最大為1 100 A,飽和壓降可達2 V,與2 000 V母線電壓時的飽和壓降值接近。這說明利用低壓大電流來模擬高壓下的飽和壓降是有效的。圖8(b)中,飽和壓降測量波形和實際波形幾乎重疊,測量電路在飽和壓降實際值發生變化時,測量值能很好地跟隨實際值,測量誤差在20 mV以內,測量精度較高。

4 結束語

本文提出了一種新的IGBT集電極開通和關斷電壓集成的測量電路,以電阻分壓網絡實現對IGBT關斷電壓的測量,電路簡單,測量電壓等級高。基于退飽和檢測電路,通過控制電流源,向IGBT集電極主動注入微小電流導通高壓隔離二極管,并通過串聯二極管對高壓隔離二極管進行誤差補償,實現對IGBT導通壓降的精確測量,測量精度可達十毫伏級。仿真和試驗驗證了上述結論的正確性。此測量電路對數字式中大功率IGBT驅動器的設計有一定的借鑒作用;對實現IGBT的狀態檢測、保護和結溫的在線估計具有較好的利用價值。

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Design of the Measurement Circuit for IGBT Collector Voltage

As the feature of large collector-emitter voltage span for turning-on/turning-off the large power IGBT,the existing IGBT drive detection circuit is unable to achieve both wide range and high precision measurement.For this reason,the new integrated measuring circuit for IGBT turning on/turning off voltage is proposed.The measurement of the turning off voltage of IGBT is realized through resistor voltage divider network,the drive signal is used to control current source for injecting small current to turn on the high voltage isolation diode,and the error of diode is compensated for implementing accurate measurement of the saturation voltage drop of IGBT.The results of simulation and experiment verify the correctness and effectiveness of the circuit designed,this lays the foundation for developing high performance drivers for high voltage large power IGBT.

Insulated-gate bipolar transistor(IGBT) Collector voltage Saturation voltage drop Current source Measurement

TM133

A

國家自然科學基金資助項目(編號:51177170)。

修改稿收到日期:2014-01-06。

任強(1989-),男,現為海軍工程大學電氣工程專業在讀碩士研究生;主要從事電力電子與電力傳動的研究。