用于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究

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                    1?前言
　　绝缘栅场效应晶体管(IGBT)作为一种复合型器件，集成了MOSFET的电压驱动和高开关频率及功率管低损耗、大功率的特点，在电机控制、开关电源、变流装置及许多要求快速、低损耗的领域中有着广泛的应用。本文对应用于有源电力滤波器的IGBT的特性及其专有EXB84l型驱动器的设计进行讨论，并提出一种具有完善保护功能的驱动电路。　　有源电力滤波器设计中应用4个IGBT作为开关，并用4个EXB84l组成驱动电路，其原理如图l所示。在实验中，根据补偿电流与指令电流的关系，用数字信号处理器(DSP)控制PWM引脚的高低电平，并由驱动电路控制IGBT的通断。驱动电路同时对过流故障进行监测，由DSP采取封锁控制信号、停机等处理。
　　


2.2 栅极电压
　　IGBT通常采用栅极电压驱动，它对栅极驱动电路有着特殊的要求。栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要足够大，导通时，前沿很陡的栅极电压UGE可以使IGBT快速导通，并减小导通损耗，关断时，其栅极驱动电路要给IGBT提供一个下降很陡的关断电压，并在栅极和发射极之间施加一个适当的反向负偏压，以便使IGBT快速关断，并减小关断损耗。IGBT导通后，栅极的驱动电压和电流要有足够的宽度，以保证IGBT在瞬时过载时未退出饱和区受到损坏。栅极驱动电压推荐值为15 V±1.5 V，这个电压值使IGBT完全饱和导通，并使通态损耗减至最小。施加关断负偏压可以抑制C-E间出现du/dt时IGBT的误导通，也可以减少关断损耗。
?　　2.3 门极电阻R1
?　　门极电阻R1的选取对通态电压、开关时间、开关损耗及承受短路的能力都有不同程度的影响。当门极电阻增大时，IGBT的开通和关断时间增加，从而使导通和关断损耗增加。当门极电阻减小时，则会导致di/dt增加，从而引起IGBT的误导通。所以应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率的不同选择R1的阻值。
　　Rl的值可以用下式计算：

　　






　　IC为IGBT的集电极电流。如图3所示，一般R1取十几欧姆到几十欧姆，R2为30 Ω。由于IGBT是压控器件，当集-射极间加高压时，很容易受外界干扰，而使栅-射极间电压超过一定值，引起器件误导通，为了防止这种现象的发生，在栅-射极间并联一电阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000"5 000倍，而且应将它并联在栅-射极最近处。电路中的电容器Cl和C2用来抑制因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是用于电源滤波。
?　　2.4 EXB841驱动环节
?　　笔者在实验中采用的是EXB841型专用IGBT驱动模块，其最高运行频率为40 kHz，输入信号经内部光耦隔离，光隔驱动电流为10 mA，最大延时约为1 μs。工作温度范围为-10℃"+85℃，供电电压为+20 V～+25 V。笔者对EXB841功能进行了扩展，图3为驱动环节电路。






　　3 IGBT及驱动电路的保护

　　3.1 IGBT的过电压保护

　　IGBT集-射极之间的瞬时过压会对IGBT造成损坏，笔者采用箝位式吸收电路对瞬时过电压进行抑制。当IGBT导通时，由于二极管的作用，电容器的电荷不会被放掉，电容器电压仍为电源电压。IGBT关断时，负载电流仍流过IGBT，直到IGBT集-射极之间电压达到电源电压，续流二极管导通。应用该电路，可以使杂散电感中的能量通过二极管转储到吸收电容器中，而IGBT的集电极电位被箝位在电容电压上，这样就可以抑制IGBT集电极的尖峰电压。吸收电容器的容值可以按公式(2)选取：

　　






　　式中，L是引线电感;i是IGBT关断时的电流;△U是吸收电容器上的电压过冲。

　　当吸收回路中的电容器电压高于直流侧电容器上的电压时，通过电阻器向直流侧电容器回送能量，一直到与直流侧电容器的电压相等。当IGBT关断时，线路电感在集电极和发射极二端产生很高的尖峰电压，加上箝位式吸收电路以后，UCE被箝位在电容器电压上，当UCE高于电容器电压时，线路电感的能量被转移到吸收电容器上，当尖峰电压过去以后，吸收电容高于主电容的那部分电压会由于能量回进而达到与主电容相等。这样就抑制了集-射极间的尖峰电压。吸收电容越大，吸收效果越好。由于吸收电容器上过冲的能量大部分被送回到直流侧电容，所以减小了电阻器的功耗。

　　3.2 消除IGBT集-栅极之间的du/dt

　　图5所示为EXB841与IGBT栅-射极之间的连接电路原理图。当驱动电路中的V4导通时，IGBT处于正常导通状态，当V5导通时，IGBT栅-射极之间通过稳压管VZ2提供一个-5V电压加在其两端，使IGBT关断，此时V5处于临界导通状态，稳压管VZ2处于反向偏置状态。但由于集-栅极之间分布电容的影响，集-栅极之间的du/dt增大时，其通过分布电容形成的电流经过，所以，要克服集-栅极之间的du/dt，确保稳压管不过压，避免IGBT误导通。克服du/dt的方法有二种：一是驱动电路输出与IGBT栅-射极之间的连线采用双绞屏蔽电缆，屏蔽层接地，二是采用快速吸收电路吸收过电压。






　　




　　4 结束语
　　本设计应用以上电路对IGBT进行驱动和保护。此驱动电路是在典型驱动电路的基础上进行改进和完善的，并且自行设计了隔离部分和过电流保护扩展部分。此驱动电路相对简单、实用，对被驱动的IGBT有完善的保护能力，输出阻抗低，具有较强的抗干扰性能。
　　应用这种IGBT模块的有源滤波器的样机通过试验，证明硬件能够协调配合，控制效果稳定、精确，并且已经批量制板。