感應(yīng)加熱電源IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

孫永新，黃海波，盧軍，李艷，李森

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

感應(yīng)加熱電源驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性直接影響IG?BT 模塊能否安全正常的工作，它除了隔離傳輸和功率放大作用外，還具有減小二極管反向恢復(fù)電流尖峰、降低關(guān)斷過壓、減小IGBT 開關(guān)損耗、抑制功率回路中的電磁干擾以及在故障情況下確保其運(yùn)行在安全工作區(qū)內(nèi)的能力。另外大功率逆變器功率等級(jí)通常為幾百千瓦甚至上千千瓦，主電路瞬時(shí)電流可達(dá)到數(shù)百安培以上，浪涌電壓幾千伏，靠單個(gè)IGBT很難滿足設(shè)計(jì)要求。通常情況下，IGBT的價(jià)格也隨著耐壓值和電流的提高而提升，可供選擇的供應(yīng)商很少，價(jià)格也參差不齊，這極大地加大了電源成本和驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性［1］。而IGBT作為核心的功率器件，如何設(shè)計(jì)可靠的驅(qū)動(dòng)電路使逆變器安全地工作、穩(wěn)定地運(yùn)行、故障及時(shí)地得到保護(hù)，已成為當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。

1 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

驅(qū) 動(dòng) 電 路 是 用±15 V 的SPWM（sine-wave pulse-width modulation）信號(hào)來控制IGBT 的通斷，并且完成弱電與強(qiáng)電之間的電氣隔離。而驅(qū)動(dòng)電路關(guān)鍵是在于對(duì)輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行處理、保護(hù)以及監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常故障的及時(shí)上報(bào)，以及對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行封鎖。根據(jù)系統(tǒng)電壓和功率等級(jí)要求，選用英飛凌FZ1200R17HE4P 型IGBT，驅(qū)動(dòng)電路是基于英飛凌的2ED300C17-S 模塊為核心設(shè)計(jì)，且電路主要包括以下幾個(gè)部分：電源、光電轉(zhuǎn)換電路、退飽和檢測(cè)電路、柵極鉗位電路、集電極鉗位、電路軟關(guān)斷電路，能夠?yàn)镮GBT提供過壓、過流、缺相錯(cuò)相、軟關(guān)斷等保護(hù)，而這些保護(hù)功能主要通過柵極輸入電路、退飽和監(jiān)測(cè)和鉗位電路來實(shí)現(xiàn)。

1.1 電源設(shè)計(jì)

IGBT 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)供電電源要求較高，當(dāng)IGBT的柵極電壓達(dá)到15 V時(shí)IGBT導(dǎo)通，反之當(dāng)柵極電壓是-15 V就關(guān)斷，且柵極電壓是由柵極驅(qū)動(dòng)單元提供。在實(shí)際應(yīng)用中電源穩(wěn)定在±15 V 左右且有足夠的輸出功率，電源部分設(shè)計(jì)采用防反接保護(hù)和穩(wěn)壓電路，提高了電源供電的穩(wěn)定和電路的安全性，即使操作人員反接電源，硬件電路也不會(huì)燒毀，因此在電力電子系統(tǒng)中，防反接保護(hù)必不可少。

1.2 光電轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

電力電子裝置中，光電轉(zhuǎn)換電路常用于IGBT控制信號(hào)和故障信號(hào)的傳輸，相對(duì)于其他隔離方式，光纖比較明顯的優(yōu)勢(shì)在于其無限制的隔離和靈活的光纜連接能力。為了適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，文中采用光纖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)拿浇椋〈藗鹘y(tǒng)的銅線。

1.3 退飽和監(jiān)測(cè)電路

通常情況下，IGBT工作在飽和區(qū)，集電極與發(fā)射極之間的電壓降至飽和值UCESat。當(dāng)負(fù)載IC增加到額定值的4倍，IGBT 將退出飽和，即集電極與發(fā)射極電壓升高，最終將達(dá)到直流母線電壓［2］。當(dāng)短路時(shí)，集電極與發(fā)射極電壓迅速升高且超過正常的飽和值UCESat，退飽和監(jiān)測(cè)就是利用這個(gè)原理監(jiān)測(cè)短路故障，如圖1所示。

退飽和監(jiān)測(cè)又分為靜態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)。靜態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)即參考電壓為一固定值，動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)的參考電壓為一條曲線。在常規(guī)的靜態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)電路中，可用比較器來比較2 個(gè)電壓值，集電機(jī)和發(fā)射極電壓UCE和參考電壓Uref，參考電壓設(shè)定為固定值，由Rref設(shè)定，通過1個(gè)電容器來消隱IGBT的開通。充電完成后，IGBT的壓降在比較器的同相輸入為

圖1 退飽和監(jiān)測(cè)電路

式中：UDESat為IGBT 內(nèi)阻電壓；UF為VD2正向電壓；UR為電阻R1電壓。

在靜態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)電路中，若Ucomp.posUref表明發(fā)生短路，如圖2所示。

圖2 UCESat靜態(tài)監(jiān)測(cè)圖

在動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)中，其給出的參考電壓為一條曲線且參考電壓具有可調(diào)性。電路在正常運(yùn)行過程中，UCE應(yīng)該在給出的參考電壓曲線以下，而當(dāng)IGBT發(fā)生故障時(shí)，UCE超過了參考電壓，觸發(fā)故障，然后驅(qū)動(dòng)電路停止發(fā)送信號(hào)，IGBT被關(guān)斷，上報(bào)故障信號(hào)，在實(shí)際工程應(yīng)用中多偏向使用動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)，如圖3所示。

在2ED300C17-S 驅(qū)動(dòng)模塊中，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)參考電壓是一條曲線，在開通時(shí)，參考電壓具有可調(diào)性，如果比較器同向端的Ucomp.pos超過參考電壓，就會(huì)產(chǎn)生故障信號(hào)且IGBT被關(guān)斷。參考曲線只能通過外部的Rsx和Csx來調(diào)節(jié)，用Rsx設(shè)置參考電壓，用Csx設(shè)置參考時(shí)間，其原理如圖4所示。

圖3 動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)圖

根據(jù)參考曲線設(shè)定原理和IGBT 導(dǎo)通關(guān)斷過程，分析得到如下4種工作情況。圖4a是正常導(dǎo)通的Vref和VCE曲線，圖4b 是IGBT 導(dǎo)通太慢或者參考曲線Vref延時(shí)太短造成的故障，圖4c 是正常工作中突發(fā)過流造成的故障，圖4d是IGBT在關(guān)斷過程中發(fā)生過流故障，但這種情況很少發(fā)生。

圖4 Vref和VCE曲線圖

1.4 過壓保護(hù)電路

根據(jù)IGBT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，柵極和發(fā)射極之間的絕緣層比較薄，幾十伏的電壓就可能把柵極擊穿，所以要對(duì)柵極電壓進(jìn)行鉗位，防止電壓過高擊穿IGBT。另外在IGBT發(fā)生短路時(shí)，柵極電壓也會(huì)跟著升高，鉗位電路會(huì)限制柵極電壓的最大值，進(jìn)而能限制短路時(shí)的最大電流，也可以起到很好的保護(hù)作用。當(dāng)IGBT 出現(xiàn)過流或者短路時(shí)，由于電流變化率很高而且在換流通路和主回路中存在雜散電感，從而會(huì)導(dǎo)致電壓過沖，浪涌電壓可能會(huì)達(dá)到母線電壓的2～3 倍，遠(yuǎn)超IGBT 耐壓的極限值。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，IGBT可以承受電壓、電流過載的時(shí)間為10 μs。為此設(shè)計(jì)了快速響應(yīng)的集電極鉗位保護(hù)電路［4］，其原理圖如圖5所示。

圖5 集電極鉗位原理圖

1.5 軟關(guān)斷

“軟關(guān)斷”用于發(fā)生故障時(shí)控制IGBT在電流為零時(shí)正好關(guān)斷，以避免IGBT 在關(guān)斷時(shí)由于過高損耗和電壓超調(diào)而受損［3］。如果設(shè)置合適，軟關(guān)斷將減小所有Eupec IGBT 產(chǎn)品關(guān)斷時(shí)的電流變化率，從而降低故障條件下的電壓超調(diào)。由于開關(guān)行為和由此產(chǎn)生的電壓超調(diào)取決于IGBT類型和整個(gè)應(yīng)用程序的構(gòu)造，如果識(shí)別出故障并激活“軟關(guān)斷”，通過合適的軟關(guān)斷電阻給柵-集極電容4 μs 的放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。

1.6 過溫保護(hù)電路

溫度保護(hù)在驅(qū)動(dòng)電路中至關(guān)重要，當(dāng)IGBT 的散熱速度達(dá)不到要求時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路還未停止發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)IGBT還處于工作狀態(tài)，內(nèi)部溫度逐漸升高，最終導(dǎo)致IGBT 因超過結(jié)溫而發(fā)生爆炸。其原理是通過比較IGBT內(nèi)設(shè)溫敏電阻和參考電阻的電壓，得出IGBT是否發(fā)生過溫，溫度保護(hù)原理圖如圖6所示。

圖6 溫度保護(hù)原理圖

2 電路測(cè)試與分析

2.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試

驅(qū)動(dòng)信號(hào)是從主控DSP 發(fā)出的4 路SPWM 信號(hào)來控制4 個(gè)IGBT 開通與關(guān)斷的信號(hào)，在橋式電路中，上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通，所以驅(qū)動(dòng)波形互補(bǔ)。在實(shí)際工作電路中，由于電路的延時(shí)，會(huì)人為給上下橋臂輸入的驅(qū)動(dòng)波形添加一定的死區(qū)來保證上下橋臂不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。2ED300C17-S 驅(qū)動(dòng)模塊輸出端驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值約為±15 V，頻率為50 Hz，且驅(qū)動(dòng)波形平滑無電壓抖動(dòng)，極大地滿足了逆變器驅(qū)動(dòng)的要求，同時(shí)保證了逆變器的安全，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分也是非常可靠，SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖7所示。

圖7 SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)

2.2 動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)測(cè)試

退飽和監(jiān)測(cè)中常使用的是動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)，Vref是一條可調(diào)的電壓曲線，在一定允許范圍內(nèi)，如果參考電壓曲線很接近UCE就可以很靈敏的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否發(fā)生故障。通過測(cè)試IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間，UCE沒有明顯抖動(dòng)脈沖造成驅(qū)動(dòng)信號(hào)誤關(guān)斷，說明動(dòng)態(tài)UCESat監(jiān)測(cè)可以達(dá)到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障的要求，同時(shí)也確保了發(fā)生故障時(shí)可以及時(shí)的關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，監(jiān)測(cè)波形如圖8所示。

圖8 UCE監(jiān)測(cè)波形

發(fā)生過流故障時(shí)，實(shí)際UCE會(huì)超過參考電壓，此時(shí)參考電壓迅速拉高，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形會(huì)因?yàn)榘l(fā)生故障而關(guān)斷。通過Datasheet 可知，F(xiàn)Z1200R17-HE4P 型IGBT 最大允許的短路過流時(shí)間為10 μs，從圖9 中可以得到電路反應(yīng)時(shí)間是小于10 μs 的，所以此快速響應(yīng)保護(hù)電路滿足設(shè)計(jì)要求，為系統(tǒng)安全提供了保障。過流故障UCE監(jiān)測(cè)波形見圖9。

圖9 過流故障UCE監(jiān)測(cè)波形

2.3 保護(hù)電路邏輯設(shè)計(jì)

硬件故障邏輯如圖10所示。保護(hù)電路采用復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic de?vice，CPLD）進(jìn)行硬件故障處理，不僅擴(kuò)展了主控的I/O，而且成本低、抗干擾性強(qiáng)。系統(tǒng)主要對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)和是否發(fā)生過流進(jìn)行硬件保護(hù)，在邏輯圖中主要涉及過流信號(hào)、逆變器的故障信號(hào)、故障封鎖信號(hào)和逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。另外在邏輯設(shè)計(jì)中信號(hào)的每一級(jí)都會(huì)采用D 觸發(fā)器保證信號(hào)傳輸過程中的準(zhǔn)確性，受到外來干擾影響小。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)立即發(fā)出故障信號(hào)傳至主控DSP，與此同時(shí)CPLD 產(chǎn)生封鎖信號(hào)使其無法發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)來保障系統(tǒng)安全，相比于軟件保護(hù)，它更具有良好的實(shí)時(shí)性，處理速度也很快，而且不占用主控資源，因此保護(hù)系統(tǒng)得到了良好的擴(kuò)展性［5-6］。

當(dāng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，SPWM 信號(hào)開始輸出，如果過流信號(hào)、逆變器的故障信號(hào)、故障封鎖信號(hào)等信號(hào)分別從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)瞬間封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，保障了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效性，同時(shí)仿真結(jié)果也證明了驅(qū)動(dòng)電路邏輯的正確性。圖11為Modelsim仿真波形。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了以退飽和監(jiān)測(cè)為核心的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，如果逆變器發(fā)生過流故障，在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)到的UCESat大于參考曲線電壓，2ED300C17-S 驅(qū)動(dòng)模塊立即封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，達(dá)到了及時(shí)切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，較好地滿足了感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分的需求。通過設(shè)計(jì)鉗位電路和溫度保護(hù)電路有效地保障了IGBT在發(fā)生故障時(shí)的安全，同時(shí)保證了IG?BT 的正常可靠運(yùn)行，提高了系統(tǒng)硬件的性能和實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)的可靠性和安全性。