IGBT的光纖隔離驅動技術在中壓大功率SRD中的應用

丁金龍,高超,閆志平,安東華

(北京中紡銳力機電有限公司,北京 101102)

1 引言

自開關磁阻調速電動機(switched reluctance drive,SRD)問世以來,因其具有啟動轉矩大,啟動電流小,適于頻繁啟停和正反轉等特性,被廣泛應用于各領域。隨著電壓控制型電力電子器件,特別是IGBT單模塊器件的電壓越做越高,電流越做越大,使大功率SRD技術的應用迅速發展,如煤礦井下皮帶等運輸設備中。SRD功率的增大,驅動耐壓等級的提高,必然引起電磁干擾的增強,為此,必須加強驅動電路的抗干擾能力,光纖隔離驅動技術的使用為解決這一問題提供了方案。

2 SRD簡介

2.1 基本組成

通常情況下,SRD分為電機和控制器兩部分。電機主要由定子、轉子和傳感器構成[1];控制器主要由控制電路、驅動電路、控制電源、功率電路組成。如圖1所示。

圖1 開關磁阻調速電動機Fig.1 Switched reluctance drive

2.2 中壓大功率SRD發展[2,3]

由于SRD系統性能優良,實現了重型設備的重載軟啟動及大范圍調速,使它在煤礦等大型工礦企業的重型設備中存在著廣泛的應用市場,特別是280 kW以上功率等級的應用,既減小設備對電網的沖擊,又提高企業生產率,降低生產成本。

大功率SRD的發展是功率電路容量的擴展,主要依賴于大功率電力電子器件的發展以及功率元件串并聯技術的提高。隨著功率等級的提高,高壓、大電流帶來的電磁兼容問題,成為系統可靠性的第一殺手,因此如何減小功率電路與控制電路之間的耦合,保證控制電路安全可靠運行,進而提高整個SRD系統的EMI性能,是中壓大功率SRD發展需要解決的首要問題。所有這些都迫使我們對SRD的功率電路的驅動和隔離方法進行重新思考。

3 SRD的驅動電路分析

不同功率等級的IGBT對驅動的要求不盡相同,表1給出了SRD功率電路目前常用的幾種驅動方式。

表1 驅動方式的比較Tab.1 Comparison of drive mode

1)直接驅動。僅適用于小功率中,通常推動電源與控制電源沒有隔離,如驅動MOSFET。

2)光耦隔離方式驅動電路。具有較好的性價比,以EXB841為例,由于其價格便宜、體積小、輕薄且對IGBT具有短路保護和軟關斷功能,被大量應用于中小功率SRD系統的驅動控制中。但由于其內部隔離耐壓有限,考慮到可靠性,一般只應用于380V以下的調速系統中。

3)變壓器隔離驅動方式。能實現控制電源與功率電源電氣上的完全隔離,非常適合應用在380V以上的系統中,可以使隔離電壓達到4 000 V。但當驅動器功率進一步提高時,IGBT的工作電流增大,大的di/dt與功率電路母線雜散電感產生的過電壓,以及IGBT開通、關斷產生的高頻dv/dt,通過結電容,耦合到門級,影響IGBT工作;并且因為驅動信號采用的是變壓器隔離,繞組間具有磁路耦合,可能存在分布電容,會導致高壓側的高頻干擾信號耦合到控制回路,影響控制電路正常工作;同時從驅動板至IGBT的引線較長,功率電路產生的空間電磁干擾也可能威脅到驅動電路的正常工作。

4)光纖隔離驅動。是光耦隔離技術的一種延伸,光纖的采用,使控制電路遠離功率電路,且不存在直接電氣關系,在4 000 V以上的系統中,光纖驅動板可以與IGBT就近安裝結合成為一個整體,減少引線長度,從而大大提高了整個系統的可靠性。

由于大功率電力變換裝置需要隔離電壓,考慮系統整體的抗干擾能力,在大功率SRD驅動電路中,光纖隔離驅動技術為最佳使用選擇。

4 SRD中光纖元件選取原則

4.1 收發器的選用

大部分光纖收發器工作原理如圖2、圖3所示。

圖2 發送電路Fig.2 T ransmitting circuit

圖3 接收電路Fig.3 Receiving circuit

IGBT的開關頻率一般在20 kHz左右,大功率SRD控制系統中,斬波頻率一般控制在10 kHz以下,因此,控制板與大功率模塊驅動板之間傳輸速率在1～5 MB/s的光纖收發器在驅動控制電路中使用較多。

4.2 發送方式的選用

發送電路中,有2種可供選擇的發送方式,如圖4所示,其主要性能區別如下:

方式1為串聯結構,常用于1 MB/s以下系統中,延時時間較長,其優點是驅動電源的功耗較低;

方式2為并聯結構,適用于5 MB/s或頻率響應要求更高的場合,其優點是反應速度快,但驅動電源始終是導通的,功耗較高。

以上兩種發送方式均滿足中壓大功率SRD的斬波頻率技術要求,但考慮節能和有效利用達林頓驅動接口,在中壓大功率SRD系統中,方式1是最理想的發送電路應用方案。

圖4 發送方式Fig.4 Transmitting mode

4.3 光纖的選用

針對上述光纖收發器及發送方式,可選用直徑1 mm,帶塑膠外套的光纖系列產品。其特點是具有較好的抗拉、抗彎折性能。根據使用場合不同,一般有2個等級供用戶選擇,低成本型(low cost standard POF),典型衰減倍數為0.22 dB/m;低損耗型(performance extra low loss POF),其典型衰減倍數為0.19 dB/m。

在驅動控制中,一般控制距離在5m以內,所以由傳輸距離導致信號衰減的發生頻率不高,選用低成本型即可。

為了獲得良好的電磁兼容性能,光纖的長度一般為2 m。

根據系統的應用環境不同,應選用不同形式的光纖/連接器進行組合,以滿足特殊要求。

除了拉力和距離以外,光纖使用中還需注意彎曲半徑。一般短時工作情況下,彎曲半徑不小于25 mm;長時間(超過30 min)工作,為保證光纖的傳輸性能,彎曲半徑應控制在35 mm以上。

5 具體應用

5.1 系統電路

第1代大功率SRD系統中,驅動信號經變壓器隔離后直接輸送到IGBT上,沒有光纖的光電轉換環節,信號抗干擾性差,影響系統的穩定性。

應用光纖隔離驅動技術的新一代中壓大功率SRD系統中,控制電路產生IGBT的驅動信號,此信號由光纖上的收發器進行“電-光-電”轉換后,經光纖傳輸到光纖驅動板上,進行放大處理后,驅動IGBT工作;同時,光纖驅動板上IGBT的驅動信號狀態,再通過光纖,實時反饋給控制電路。由于直接用螺釘將光纖驅動板安裝在IGBT上,使IGBT的門極驅動信號在最短的線路上進行傳輸,大大降低了電磁干擾的幾率,使控制電路能更準確地判斷、控制IGBT的工作狀態,從而保證了系統整體穩定工作。系統電路圖如圖5所示。

5.2 SRD光纖驅動電路的特點

應用了光纖隔離驅動技術的IGBT驅動電路,在開關電源隔離能力、短路保護快速響應等方面,都優于第1代大功率SRD系統,其特點如下:

1)IGBT驅動信號引線短,抗干擾強;

圖5 應用光纖隔離驅動的SRD系統電路圖Fig.5 SRD system circuit diagram using optical fiber isolation drive

2)開關電源隔離耐壓值高。隔離耐壓可達6 000 V,遠高于第1代SRD系統;

3)自動鉗位功能[4]。IGBT關斷產生過電壓時,對門極瞬時施以導通信號,釋放可能威脅IGBT安全的瞬時高壓。IGBT關斷速度更快,損耗小;

4)短路保護快速響應功能。8.5 μ s內實現IGBT關斷,防止IGBT過流燒毀;

5)短路時,提供2種IGBT驅動信號的處理方式[4];

6)光纖返回IGBT狀態信號。

5.3 性能測試

系統空載情況下,對應用了光纖隔離驅動技術的SRD功率電路,進行工作狀態測試。

1)正常驅動。光纖驅動電路即傳送驅動信號,又返回IGBT狀態信號,正常驅動時,在IGBT的門極驅動信號的上升沿和下降沿,返回一個900 ns的脈沖信號,即IGBT的“狀態反饋信號”,此信號表明控制器開通、關斷操作成功;控制電路接收到這個“狀態反饋信號”后,開始組織進行下一步操作。IGBT的“門極驅動信號”波形和“狀態反饋信號”波形,如圖6所示。

第1代SRD系統中,沒有“狀態返回”信號,增加了電路誤操作幾率。

2)短路保護時,驅動信號的處理方式。發生短路時,驅動信號對IGBT門極的關斷處理方式取決于功率電路的拓撲結構。二級拓撲結構中,驅動信號直接關斷IGBT;三級和多級拓撲結構中,采用分級關斷方式,由控制電路根據驅動信號反饋的情況,決定級聯IGBT的關斷順序。

應用了光纖的驅動電路,給出2種處理方式,“2-level模式”和“3-level模式”。

“3-level模式”對應三級和多級拓撲結構。首先驅動信號第1個邊沿反饋回900 ns寬的小脈沖,表明正常開通。短路保護后,約8.5 μ s,“門極驅動信號”仍跟隨“PWM 信號”維持原狀態,而“狀態返回信號”則跳轉為高電平,通知控制電路需要順序關斷IGBT,如圖7所示。

圖7 驅動信號短路保護的3-level模式Fig.7 3-level mode of short circuit protection used in driving signal

“2-level模式”對應二級拓撲結構。短路保護后,門極驅動信號直接關斷IGBT,狀態返回信號維持高電平約1s。目前應用的SRD系統功率電路,常采用結構簡單的二級拓撲結構,所以,短路時,驅動信號對IGBT采用直接關斷的處理方式,實測波形如圖8所示。

圖8 驅動信號短路保護的2-level模式Fig.8 2-level mode of short circuit protection used in driving signal

5.4 系統型式試驗

負載情況下,應用了光纖隔離驅動技術的400kW/1 140V SRD系統,進行了嚴格的型式試驗,試驗項目如下。

1)電磁兼容試驗。對控制電源分別施加2 000 V浪涌和5 kHz的電快速脈沖群干擾,控制器驅動電路工作正常;施加2 500 V電快速脈沖群干擾,控制電源斷電保護,系統停機,重新上電后,系統正常工作。運行中,控制電源斷電保護未對IGBT驅動信號造成影響,IGBT門極驅動波形見圖9。

圖9 負載狀態下門極驅動波形Fig.9 Gate driving waves with load

2)過載 1.2倍的大功率負載、溫升試驗。IGBT峰值電流500 A時,關斷邊沿產生的過電壓為184 V,此時直流母線電壓為1.43 kV,IGBT沒有發生誤導通。運行狀態良好,沒有發生電磁干擾危害控制電路正常工作的情況。IGBT關斷波形如圖10所示。

3)大負載,單脈沖工作測試。大電流情況下,控制板工作正常。檢測到的電流變化平穩,無毛刺,無干擾。IGBT的電流連續波形如圖11所示。

圖10 IGBT關斷波形Fig.10 The turn off wave of IGBT

圖11 IGBT電流波形Fig.11 The current wave of IGBT

4)系統進行了持續48 h的高溫濕熱試驗(溫度60℃,濕度95%RH)。絕緣狀態良好,重新上電后系統工作正常。試驗結果表明,光纖驅動技術可以應用于條件比較惡劣的工業現場。

5)將控制器的相輸出直接短接,進行IGBT的短路保護試驗。結果表明,保護動作準確、及時,用示波器監測短路瞬間IGBT的關斷波形,沒出現電壓尖峰及高頻震蕩,IGBT工作狀態良好。

6 結論

綜上,在中壓大功率SRD系統中,通過引入光纖隔離驅動技術,控制信號與驅動信號實現了光電隔離,杜絕了干擾問題,既實現了驅動控制,又監測了IGBT的工作狀態,大大提高了SRD系統工作可靠性。目前,已有兩套應用了此項技術的SRD產品,在礦用快速裝車系統中持續運行1 a以上,用戶反映工作狀況良好。

[1]劉迪吉.開關磁阻電動機[M].北京:機械工業出版社,1994.

[2]胡崇岳.現代交流調速技術[M].北京:機械工業出版社,2000.

[3]高超.開關型磁阻電動機調速系統在煤礦機械中的應用現狀與前景分析[J].煤礦機械,2003(7):96.

[4]晶川電子.EUPEC IGBT應用技術指南[Z].2005.