時間:2018-09-07 11:32:32來源:科學出版社 楊媛 文陽
數(shù)字化驅(qū)動保護器總體方案設計
IGBT驅(qū)動保護器的設計方案包括電源電路、驅(qū)動、信號隔離和保護等方案的設計,根據(jù)不同的應用需求可采用不同的設計方案。
圖1脈沖變壓器隔離的IGBT驅(qū)動保護方案
圖1為采用脈沖變壓器進行信號隔離的IGBT驅(qū)動保護方案(王立虎,2012)。系統(tǒng)方案主要分為隔離前端的低壓部分和隔離后端的高壓部分。后端通過物理接口以壓接的方式與IGBT模塊進行連接,主要包括以下幾個部分:功率驅(qū)動、VCE檢測部分、短路檢測及快速關斷、欠壓檢測以及+15V和-10V的隔離電源。前端主要包括數(shù)字控制部分(FPGA或CPLD)、過溫信號處理、電流信號處理、隔離電源驅(qū)動以及過載保護監(jiān)測。其中數(shù)字控制部分包含錯誤處理,脈沖整形(短脈沖抑制)、互鎖、死區(qū)時間以及DC/DC隔離電源的驅(qū)動信號。
輸入信號由外部控制單元提供,外部信號首先進入數(shù)字處理部分,在內(nèi)部進行短脈沖抑制、互鎖、死區(qū)設置等處理之后,通過脈沖調(diào)制,利用脈沖變壓器傳遞到后端,在后端通過脈沖整形,還原驅(qū)動信號,因為該驅(qū)動信號的驅(qū)動功率不足以驅(qū)動大功率的IGBT模塊,所以需通過功率放大來增加驅(qū)動功率,使IGBT模塊在要求的時間內(nèi)開通關斷,這就是驅(qū)動部分的設計。功率放大所需要的電源來源于前端通過DC/DC隔離電源產(chǎn)生,在IGBT的工作過程中,功率放大所需要的電源如果欠壓,將導致IGBT不能按照要求的速度開關,導致錯誤開關,甚至造成IGBT的直通損壞,因此上下兩路電源都需要有欠壓檢測,以保證功率放大穩(wěn)定。
檢測信號通過隔離傳輸?shù)角岸说臄?shù)字部分進行處理。系統(tǒng)通過VCE檢測到IGBT的短路信號后,首先在隔離后端對驅(qū)動信號進行快速關斷,然后通過隔離傳輸?shù)角岸?,進入數(shù)字部分進行處理。溫度檢測與過載檢測在通過傳感器檢測后,直接輸入到前端,通過信號的處理,向外部的客戶端送出模擬信號,同時將錯誤信號送進數(shù)字部分做相關處理。DC/DC隔離電源采用全橋模式,數(shù)字部分輸出的信號不足以驅(qū)動DC/DC全橋變換的主電路,因此DC/DC隔離電源的隔離前端需要有功率驅(qū)動部分。
圖2光纖隔離的IGBT驅(qū)動方案
圖2為采用光纖進行信號隔離的大功率IGBT數(shù)字可編程驅(qū)動器(王亮亮,2015)。該驅(qū)動器的核心是一個數(shù)字控制單元CPLD,除此之外還包括以下幾個部分:高隔離電壓的DC/DC變換器、信號隔離傳輸部分、閉環(huán)多級動態(tài)門極驅(qū)動部分、多種故障檢測和保護部分及狀態(tài)反饋部分。
其中數(shù)字控制單元CPLD包含以下模塊:短脈沖抑制模塊、輸入信號過頻保護模塊、正常開關信號控制模塊、多種故障信號檢測模塊、故障軟關斷控制模塊及相應狀態(tài)指示燈控制模塊。多種故障檢測和保護部分都包含以下功能:兩級電流變化率dI/dt、多級VCE退飽和檢測、IGBT過電流、過溫檢測和保護、驅(qū)動電源欠壓檢測及保護。
驅(qū)動控制信號(PWM)由外部控制單元提供,其經(jīng)過光纖隔離傳輸首先進入CPLD數(shù)字處理單元,在內(nèi)部經(jīng)過短脈沖抑制、過頻保護等處理之后,控制閉環(huán)多等級動態(tài)門極功率放大部分,使IGBT按照實際需求合理正確地開通和關斷,這就是整個模塊的驅(qū)動部分。
當IGBT有故障信號出現(xiàn)時,故障檢測及保護部分將檢測到的信息送給CPLD,CPLD確認該故障的真實性后,會發(fā)出對應的保護指令,進而保護IGBT不受損壞,同時能夠?qū)崟r地向外部控制器反饋IGBT的運行狀態(tài),方便用戶的使用。整個驅(qū)動與保護電路所需要的功率來源于高隔離電壓DC/DC變換器,它是保證IGBT安全、可靠運行的能量源泉。
驅(qū)動電路設計
在IGBT開通時,驅(qū)動電路需要提供一定幅值的正向開通電壓,向門極電容充電使IGBT達到飽和。在關斷時提供一定幅值的關斷電壓來抽取門極電容中儲存的電荷,使IGBT處于截止狀態(tài)。因而,可以通過數(shù)字芯片控制對應功率器件的通斷,來改變回路電流的流向,實現(xiàn)對IGBT的開通和關斷操作(文陽等,2016)。
圖3簡單的數(shù)字化驅(qū)動電路
圖3為一簡單的數(shù)字化驅(qū)動電路,控制芯片CPU發(fā)出的信號進入緩沖器后來控制開關管的開通和關斷,從而得到IGBT開通和關斷所需要的正向和負向電壓。
圖4數(shù)字化動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)
隨著IGBT驅(qū)動技術(shù)的不斷發(fā)展,研究人員又提出了可以優(yōu)化IGBT開關特性的動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)。圖4為數(shù)字化動態(tài)門極驅(qū)動結(jié)構(gòu),其中圖4(a)與圖4(b)的工作原理大致相同。在IGBT的開關過程中,根據(jù)IGBT的開關特性,控制對應的開關管的通斷來改變其門極驅(qū)動電阻的大小,調(diào)節(jié)IGBT的開通關斷速率,優(yōu)化其開關特性。而且,由于控制芯片的可編程性,在驅(qū)動功率足夠大的情況下,可以通過調(diào)整各個開關管的通斷組合方式,實現(xiàn)對不同廠家、不同電壓等級、不同電流等級以及不同型號的IGBT的開關控制,大大提高了驅(qū)動器的兼容性。
此外,圖4(b)所示的驅(qū)動結(jié)構(gòu)只需要單路驅(qū)動電源便可滿足開通關斷的驅(qū)動電壓要求。當要驅(qū)動IGBT開通時,通過控制開關管的通斷,使發(fā)射極e端接至0V電位,門極G接至+15V電位,在門極和發(fā)射極之間產(chǎn)生+15V開通驅(qū)動電壓。當要驅(qū)動IGBT關斷時,使發(fā)射極e端接至+15V電位,門極接通0V電位,在門極和發(fā)射極之間產(chǎn)生-15V關斷電壓。這有利于降低電源的設計成本,減小驅(qū)動器的體積(王亮亮等,2016a)。
數(shù)字化保護電路設計
對IGBT的保護操作主要包括電壓故障的保護、電流故障的保護以及溫度故障的保護,而這些故障對應的檢測電路的輸出信號通常情況下均為數(shù)字信號。因而,可將故障信號直接送入數(shù)字可編程芯片進行處理分析,根據(jù)不同的故障類型配置不同的保護操作。
當檢測電路檢測到故障信號并反饋給數(shù)字化保護電路時,保護電路首先需要對該故障信號進行甄別,判斷是否為有效的錯誤信號,從而避免誤保護。對如何確認故障信號,一般采用計數(shù)器計數(shù)再判斷的原理,假設錯誤信號為低電平有效,在接收到低電平后,如果低電平持續(xù)時間小于故障確認時間tc,則認為該電平為干擾電平,大于故障確認時間tc的電平為有效電平。不同類型的故障,確認的時間不一樣,具體時間根據(jù)該類故障下的電氣特性而定。
針對不同類型的故障,其關斷保護的控制策略也不同。例如,IGBT在發(fā)生短路故障時,集電極電流IC快速上升至額定電流的數(shù)倍,此時就需要對IGBT進行軟關斷操作,從而避免因關斷速率過快而引起關斷浪涌電壓過高,造成IGBT的二次損壞。同時,針對不同類型的故障,其關斷保護的響應時間也不同。通常情況下,在檢測到IGBT故障信號后,驅(qū)動器會對故障信號進行快速的甄別和響應,關斷處于故障狀態(tài)下的IGBT。但是對于IGBT的過載過電流故障,由于其過載時電流值為額定值的1.2~1.5倍,因而過載過電流不需要快速響應,允許有短時間的過載運行狀態(tài)(王亮亮等,2016b)。
圖5為一種數(shù)字化保護電路的實現(xiàn)方法,此策略針對不同類型的故障信號,設置不同的關斷保護方式和保護動作的響應時間。當故障信號輸入到主控制芯片后,控制芯片會對故障類型進行判斷。若是為過載故障,則對故障信號的真?zhèn)芜M行甄別,經(jīng)過故障確認時間tc1后,故障狀態(tài)仍存在,則對IGBT進行關斷保護操作。過載故障時集電極電流較低,因此只需要正常關斷即可。針對短路過電流故障保護時的關斷應力較大的問題,此策略選用軟關斷的方式來避免關斷過壓的二次傷害。
圖5一種數(shù)字化保護電路的實現(xiàn)方法
數(shù)字化驅(qū)動的另一個優(yōu)勢在于其擴展性較強。通常情況下,在IGBT進入故障狀態(tài)后,驅(qū)動器需要將控制信號反饋給主控端,而不同應用場所的反饋信號的定義方式是不同的,因此一般驅(qū)動器在這一點上很難做到兼容。而數(shù)字化驅(qū)動的好處就在于其可編程性,只需要在現(xiàn)有硬件電路的基礎上對其控制程序稍作修改,就可以實現(xiàn)相應的目標。
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