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光耦隔离高压大功率IGBT驱动电路设计研究

光耦隔离高压大功率IGBT驱动电路设计研究

LED2013
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1. 引言
  绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为兼具MOSFET和GTR优点于一体的新型复合器件,由于其通流能力强,开关频率高,输入阻抗大,饱和压降低且驱动功率小等优点,在电力电子领域,特别在电力系统,交流传动等领域已经获得越来越广泛的应用。但由于IGBT的自身特性,在负载短路或过流情况下可能造成器件超过热极限、电流擎住效应、关断过电压等,以致造成IGBT不正常工作,为此对IGBT驱动和保护电路,特别对短路过流保护电路提出了很高的要求。在高压大功率IGBT的应用中,设计一个稳定可靠的IGBT驱动电路显得尤为重要。本文以1200V/200A大功率IGBT驱动电路为例进行了探讨。结论是,光纤信号传输与传统的光耦隔离相比,给IGBT驱动电路带来的稳定性和可靠性更高。
 
  2. IGBT驱动电路
  典型驱动电路的主要组件,主要包括隔离输入、前置放大、功率放大、保护电路以及栅极电阻等几个主要部分。

 

  IGBT应用初期,其驱动电路为分立式的。目前许多厂家多采用了IGBT专用的集成驱动模块。相对于分立式驱动电路而言,高度集成化的驱动模块抗干扰能力强、速度快、保护功能完善、可实现IGBT的最优驱动。特别在大功率IGBT驱动电路的设计中,集成化驱动模块已成为研究人员的首选。以Power公司的M57962L驱动模块为例,其内部有定时逻辑短路保护电路,具有延时保护特性,具备可靠通断措施,驱动功率大,可以驱动600A/600V或者400A/1200V的IGBT模块。它采用“退饱和检测”方式,通过检测IGBT集-射(C-E)极之间电压,对短路过流快速作出反应,并提供保护功能。图2示出M57962L保护电路工作流程。

  

  当驱动模块保护电路工作时,5脚输出低电平将IGBT的C-E两端置于负偏压,可靠关断IGBT。同时8脚FAULT信号FO由高电平跳变至低电平。其中VSC为退饱和触发电平。经过复位时间TRES=1.25MS后,在输入控制电平为低时,保护电路重置,FO跳变至高电平。
 
  3. 光耦隔离IGBT驱动电路及其问题
  传统的M57962L的控制和驱动电路隔离均采用光耦合器,输入信号的隔离为模块内部集成的高速光耦,FO信号隔离光耦按传统方法和Power应用手册设计,通常采用TLP521,PC817,PS2501等低速光耦。PS2501的tr=3μs,tf=5μs。TLP521和PC817的传输延时与之接近。
  出采用光耦TLP521隔离的驱动电路设计,FO信号通过光耦TLP521传递至控制回路。

  

  示出IGBT正常工作,FO为高电平时,驱动测试电路输入PWM控制信号UC和输出驱动信号UG波形。当IGBT过流时,C-E两端电压升高,保护电路开始工作,M57962L的8脚FO由高电平跳变至低电平,驱动输出负压以可靠关断IGBT。模拟IGBT过流状态,令IGBT的C-E两端开路,即保持M57962L的1脚检测电压VDET>VSC。示出测试电路C-E两端断开时FO信号UF和UG波形。

 

(a)未保护时输入控制信号uc和输出驱动信号ug波形
(b)IGBT的C、E两端断开时FO信号uf和输出驱动ug波形

 
  T1时刻之前,驱动模块处于保护状态,FO输出低电平;T1时刻,输入控制信号为低电平,M57962L经过TRES后重置,FO从低电平跳变至高电平,驱动输出负压;T2时刻,输入控制信号为高电平,由于测试电路C-E两端断开,M57962L判定IGBT过流;T3时刻,输入控制信号为高电平,过流持续时间为T3-T2=TTRIP≈2.5μs,保护电路开始工作,驱动输出负压,FO再次跳变至低电平。由此可见,该情况下的FO高电平脉冲宽度为T3-T1=(T2-T1)+2.5μs,即有可能出现宽度约为5μs的窄脉冲。
  用光耦TLP521传递FO信号时的初、次级波形如所示。由可见,在该测试条件下FO是一个周期为1.25MS的窄脉冲,光耦TLP521由于自身开关延时较大,传递FO信号时存在脉冲信号丢失现象。由可见,5μs脉宽的脉冲几乎不能传递到光耦次级,而20μs脉宽的脉冲,虽然能够传递,却存在较大的失真。

  

  当IGBT过流时,并不需要外部控制电路动作,驱动模块的保护电路即可开始工作,然而为保证整个系统的正常运行,仍需要将FO状态及时准确地传递至控制电路。显然,用光耦TLP521并不能达到令人满意的效果。如前所述,当T2-T1过小,FO脉宽较窄时,FO信号跳变将不能通过光耦传递至控制回路,控制回路将检测不到IGBT的状态。这将影响整个系统的稳定性和可靠性。
  改进该问题的方法有多种:①选取更快速的光耦,比如6N137,PS9701等高速光耦,对FO的信号状态跳变能够快速反映;②改进控制策略,当检测到FO信号为高电平并保持一段时间后再输入PWM控制信号,即增大中T2-T1,拓宽FO正脉冲宽度,达到TLP521,PC817,PS2501等光耦的传输能力。用传统的TLP521等低速光耦时,某些控制策略,比如检测FO下跳变3次(保护电路保护3次)才封锁输入信号的控制策略将不适用,会导致不能及时捕捉到FO跳变,或者完全不能检测到FO跳变;③利用光纤信号传输。光纤传输在电压隔离,电磁干扰,远距离信号传送等方面均具有许多优越性能。本文将重点讨论光纤信号传输应用到IGBT驱动电路设计中,通过实验证实其在信号传输方面的优越性能。
 
  4. 光纤信号传输
  4.1 光纤数据传送原理
  光纤光缆由玻璃或塑料制成,所以光纤连接的发射器和接收器之间无直接电气连接,这有助于减轻地环路噪声问题,并能隔离电压,以防止相互干扰,不产生附加辐射,对EMI不敏感,所以在驱动和控制电路中用光纤能够精确传送PWM控制信号,不仅解决了功率电路和控制电路之间的强弱电隔离,抗电磁干扰问题,而且能够实现驱动信号的远距离传送。光纤传送的另一特点是可以实现信号高速传送,减少传输时延。 

  
  在传送速度方面,当采用单脉冲和两个周期数据传送测试,输入信号频率F=2.5MHz时数据传输延时约为160ns;F=2MHz时,其数据传输延时约为180ns。光纤的传送速度远高于TLP521。完全能够满足IGBT驱动电路的要求。
 
  4.2 应用光纤传输的驱动电路设计

 

  光发射接收器分别采用AGILENT公司的HFBR-1522光发射器和HFBR-2522光接收器。HFBR-1522/2522是标准的8脚DIP封装结构,可实现从DC~10MHz高性能数据传送。当输入电流为60mA时,可实现45m远距离高质量传送,从而实现控制和驱动电路物理和电气上的分离。

 
  5. 实验结果
  IGBT的C-E两端断开时用光纤传递FO信号时HFBR-1522输入FO信号UF和传递回控制回路的反馈信号UO。即使2.5μs的脉宽也能几乎不失真地传递回控制电路。

  

  6. 结论
  光耦隔离IGBT驱动电路通常采用高速光耦对输入信号进行隔离;而在Power的应用手册中的方法和传统方法均采用TLP521,PC817,PS2501等低速光耦进行FO信号的隔离。本文探讨了其可能带来的问题和解决方法。基于实验,阐述了用光纤代替光耦进行信号传输,在电压隔离,电磁干扰以及远距离信号传输等方面具有诸多优越性能。


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