單電源供電的IGBT驅(qū)動(dòng)電路在鐵路輔助電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者Email: flyfang2008@sohu.com

摘要：本文通過分析IGBT功率器件的特性、對(duì)可靠性驅(qū)動(dòng)的要求以及幾種常用IGBT驅(qū)動(dòng)電路的介紹，給出了單電源供電的IGBT驅(qū)動(dòng)方案。該方案已在25T型車、25G型車35KVA逆變器的驅(qū)動(dòng)電路中得到應(yīng)用，并取得了很好的效果；同時(shí),此種電路也成功應(yīng)用于青藏鐵路輔助電源系統(tǒng)的55KVA三相逆變器。隨著IGBT的廣泛使用，這一方案將具有很好的借鑒意義及應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：IGBT，驅(qū)動(dòng)電路，逆變器，輔助電源

0．引言

由于ＩＧＢＴ是一種電壓控制型功率器件，它所需驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡(jiǎn)單，導(dǎo)通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力。因此，目前ＩＧＢＴ已在中功率以上的電力電子系統(tǒng)中（如逆變器、變頻器、ＵＰＳ電源）逐漸取代了ＭＯＳＦＥＴ及ＢＪＴ而成為功率開關(guān)元件市場(chǎng)中的重要一員。然而?如何有效地驅(qū)動(dòng)并保護(hù)ＩＧＢＴ則成為目前電力電子領(lǐng)域中的重要研究課題之一。在鐵路客運(yùn)系統(tǒng)中，隨著電氣化列車的普及，提高列車舒適度，設(shè)計(jì)高效的IGBT驅(qū)動(dòng)電路也成為列車輔助電源設(shè)計(jì)者的重要研究對(duì)象。一個(gè)具有保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅(qū)動(dòng)功率，在異常工作狀態(tài)下能起保護(hù)ＩＧＢＴ的作用，而且應(yīng)當(dāng)能使電力電子系統(tǒng)中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此?高性能的驅(qū)動(dòng)電路是提高電子產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性，從而增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵之一。本文根據(jù)實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)著重介紹了應(yīng)用于電氣化列車輔助電源中的一種單電源IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。

1．驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和任務(wù)

驅(qū)動(dòng)電路就是將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

開關(guān)型功率器件的驅(qū)動(dòng)分為兩種形式：一是電流型驅(qū)動(dòng),如GTR；二是電壓型驅(qū)動(dòng)，如功率MOSFET、IGBT。無論是哪種驅(qū)動(dòng)電路，在設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮以下兩點(diǎn)：最優(yōu)化驅(qū)動(dòng)特性和自動(dòng)快速保護(hù)。所謂最優(yōu)化特性就是以理想的控制極驅(qū)動(dòng)電流(或電壓、或兩者兼有)去控制功率器件的開關(guān)過程，以提高開關(guān)速度、減小開關(guān)損耗；自動(dòng)快速保護(hù)則是在驅(qū)動(dòng)電路故障狀態(tài)下快速自動(dòng)地切斷控制極信號(hào)，避免功率管遭到損壞，在主回路故障狀態(tài)時(shí)能及時(shí)自動(dòng)切斷與主回路的聯(lián)系的能力。本文介紹的為電壓型IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

IGBT是將MOSFET的高速易驅(qū)動(dòng)，安全工作區(qū)寬同雙極性器件低飽和壓降結(jié)合的產(chǎn)物。它具有以下特點(diǎn)：高的輸入阻抗，使之可采用通用低成本的驅(qū)動(dòng)線路；高速開關(guān)特性；導(dǎo)通狀態(tài)的損耗低。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，主要考慮以下的參數(shù)：IGBT的額定值；短路電流特性；感性負(fù)載的關(guān)斷特性；最大柵極發(fā)射極電壓；柵極輸入電容；安全工作區(qū)特性。
2．驅(qū)動(dòng)電路的分類

驅(qū)動(dòng)電路作為逆變電路的一部分，對(duì)逆變器和變頻器的三相或單相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)常用的一般有這樣幾種方式：

(1)分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路

分立插腳式元件組成的驅(qū)動(dòng)電路在80年代的日本和臺(tái)灣變頻器上被廣泛使用，主要包括日本(富士：G2，G5。三肯：SVS，SVF，MF.，春日，三菱Z系列K系列等)臺(tái)灣(歐林，普傳，臺(tái)安。)等一系列逆變器和變頻器。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn)，這類設(shè)計(jì)電路復(fù)雜，集成化程度低的驅(qū)動(dòng)電路已逐漸被淘汰。

(2)光耦驅(qū)動(dòng)電路
光耦驅(qū)動(dòng)電路是現(xiàn)代逆變器和變頻器設(shè)計(jì)時(shí)被廣泛采用的一種驅(qū)動(dòng)電路，由于線路簡(jiǎn)單，可靠性高，開關(guān)性能好，被歐美及日本的多家逆變器和變頻器廠商采用。由于驅(qū)動(dòng)光耦的型號(hào)很多，所以選用的余地也很大。驅(qū)動(dòng)光耦選用較多的主要由東芝的TLP系列，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。本設(shè)計(jì)即為HCPL系列光耦驅(qū)動(dòng)電路。

(3)厚膜驅(qū)動(dòng)電路
厚膜驅(qū)動(dòng)電路是在阻容元件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動(dòng)電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個(gè)整體部件。使用驅(qū)動(dòng)厚膜對(duì)于設(shè)計(jì)布線帶來了很大的方便,提高了整機(jī)的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時(shí)也加強(qiáng)了技術(shù)的保密性?，F(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)厚膜往往也集成了很多保護(hù)電路，檢測(cè)電路。應(yīng)該說驅(qū)動(dòng)厚膜的技術(shù)含量也越來越高。

(4)專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路
現(xiàn)在還出現(xiàn)了專用的集成塊驅(qū)動(dòng)電路，主要由IR的IR2111，IR2112，IR2113等，其它還有三菱的EXB系列驅(qū)動(dòng)電路。三菱的M57956，M57959等驅(qū)動(dòng)電路。

3．一種基于單電源供電的光耦驅(qū)動(dòng)電路

在我公司為青藏鐵路所做的電源產(chǎn)品中，其中有大功率的逆變器（55KVA），
由電力機(jī)車或發(fā)電車為各節(jié)車廂的逆變器提供DC600V輸入，然后由逆變器輸出三相AC380V，為車上的空調(diào)和制氧機(jī)等設(shè)備供電。逆變器驅(qū)動(dòng)電路所使用的光耦為HCPL316。HCPL316是由惠普公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅(qū)動(dòng)光耦合器，其內(nèi)部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測(cè)電路及故障狀態(tài)反饋電路。主要有以下一些特性：兼容CMOS/TTL電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；開關(guān)速度最大500ns；“軟”IGBT關(guān)斷；VCE欠飽和檢測(cè)及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護(hù)；寬工作電壓范圍（15～30V）。IGBT用的是西門子公司的BSM300GA120DN2，耐壓等級(jí)為1200V，300A單管，共六個(gè)IGBT，使用單模塊的目的是為有效散熱；而驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)通常作為驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，如國內(nèi)很多廠家經(jīng)常使用的M57959和M57962芯片，在三相逆變控制中，要設(shè)計(jì)多路相互隔離的驅(qū)動(dòng)電源，如多路+15V和多路-10V等。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的高要求也是整個(gè)產(chǎn)品可靠性的根本保證。而如何設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠的驅(qū)動(dòng)電源也就成為設(shè)計(jì)人員想方設(shè)法去解決的問題。在青藏鐵路的輔助電源系統(tǒng)中，就采用了單電源供電的可靠性高的驅(qū)動(dòng)電路，見下圖。

圖1上管IGBT驅(qū)動(dòng)電路

圖1為上管IGBT驅(qū)動(dòng)電路，其中由控制器產(chǎn)生PWM1及RESET信號(hào)輸出給光耦，同時(shí)光耦產(chǎn)生的IGBT故障信號(hào)FAIL_DR給控制器；TL1111芯片把輸入的+15變換成-10V關(guān)斷電壓；同時(shí)利用二極管D101使的上管三路驅(qū)動(dòng)+15V和其它路相互隔離；圖2為下管IGBT驅(qū)動(dòng)電路，下管的驅(qū)動(dòng)電源無須隔離，從而使得單電源供電成為可能，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)。對(duì)比上管驅(qū)動(dòng)電路和下管驅(qū)動(dòng)電路的區(qū)別，除了上管有二極管下管沒有以外，還有就是+15V的地接在下管的EM_2而上管沒有。可以看到，當(dāng)下管的IGBT導(dǎo)通時(shí)，+15V的地通過下管的IGBT和上管的EM1相通，此時(shí)電解電容C104處于充電狀態(tài)，當(dāng)下管關(guān)斷時(shí)，通過C104放電來驅(qū)動(dòng)上管IGBT導(dǎo)通。同時(shí)通過HCPL316故障檢測(cè)功能在IGBT過壓、過流及短路的情況下很好的保護(hù)IGBT。

圖2下管IGBT驅(qū)動(dòng)電路

在運(yùn)行及試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的一些問題及改進(jìn)措施
此方案已成功應(yīng)用于25T和25G型電氣化列車逆變器上，性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。但是在為青藏鐵路的列車提供電源產(chǎn)品中逆變器在試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了問題。因?yàn)楣ぷ鳒囟确秶鬄?40℃～50℃，在做低溫試驗(yàn)時(shí)（-40℃），逆變器出現(xiàn)帶載(制氧機(jī))波形畸變，電機(jī)運(yùn)行時(shí)抖動(dòng)比較利害，聲音異常。通過電流鉗直觀地發(fā)現(xiàn)三相輸出電流不平衡，用示波器仔細(xì)觀察電流和電壓波形發(fā)現(xiàn)波形出現(xiàn)畸變。經(jīng)過分析開始認(rèn)為可能是驅(qū)動(dòng)電源在低溫下輸出功率下降引起，后使用外接電源板故障依然沒有解決，才發(fā)現(xiàn)并不是驅(qū)動(dòng)電源負(fù)載能力不夠或波動(dòng)引起的。后通過在低溫下測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)，逆變器上管三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下圖4，而下管三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下圖3。

經(jīng)測(cè)量和分析以上驅(qū)動(dòng)波形發(fā)現(xiàn)：在低溫時(shí)三路上管IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)不正常，但分析認(rèn)為這種驅(qū)動(dòng)信號(hào)不正常的情況是有驅(qū)動(dòng)電源不正常引起的。在排除驅(qū)動(dòng)電源有問題的情況下，仔細(xì)研究以上給出的驅(qū)動(dòng)電路和反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下管導(dǎo)通時(shí)+15V給C104充電，而當(dāng)下管關(guān)斷時(shí)，C104放電驅(qū)動(dòng)上管，但是當(dāng)溫度很低時(shí)（-40℃），電解電容C104容量下降，儲(chǔ)能降低，不能有地的驅(qū)動(dòng)上管導(dǎo)通，所以在低溫運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)如上圖4所示波形，不能有效驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，從而影響產(chǎn)品的正常運(yùn)行。后把電解電容C104改為低溫特性比較好的鉭電容后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)正常，在低溫情況下逆變器也能夠正常運(yùn)行，從而有力保證了項(xiàng)目的正常進(jìn)行。

5．結(jié)束語

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是逆變電源設(shè)計(jì)的一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，希望通過以上的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，能夠?yàn)橥性谠O(shè)計(jì)同類產(chǎn)品時(shí)提供一點(diǎn)借鑒和參考。

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