一種光纖傳導的大功率IGBT驅動電路的設計

戴 珂，段科威，張樹全，劉 聰

(華中科技大學應用電子系，湖北武漢430074)

0 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是由 BJT(雙極型三極管)和MOSFET(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。IGBT具有驅動功率小而飽和壓降低等優點，在電機控制、開關電源、變流裝置及許多要求快速、低損耗的領域中有著廣泛的應用［1］。本文對應用于有源電力濾波器(APF)的IGBT的特性和使用M57962AL驅動器的設計進行討論，并提出一種利用光纖傳導驅動信號和具有完善保護功能的驅動電路。

有源電力濾波器采用三相全橋結構，需要使用6個IGBT作為開關，因此用6個M57962AL組成驅動電路。在實驗中，根據補償電流與指令電流的關系，用數字信號處理器(DSP)控制PWM引腳的高低電平，并由驅動電路控制IGBT的通斷。驅動電路同時對過流故障進行監測，由集成驅動電路對故障信號進行處理，然后經信號調整電路傳送給DSP和保護電路，其中一路經由DSP實行封鎖控制信號、停機等軟件保護，另一路經由硬件保護電路實現故障信號的鎖存和封鎖PWM信號等保護。

1 驅動器的選擇

一個理想的IGBT驅動電路應具有以下基本性能［2］:

(1)動態驅動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖;

(2)IGBT導通后，柵極驅動電路提供給IGBT驅動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出極總處于飽和狀態，瞬時過載時，柵極電路提供的驅動功率要足以保證IGBT不退出飽和區而損壞;

(3)能向IGBT提供適當的正向電壓，一般取+15 V;

(4)能向柵極提供足夠的反向電壓，利于IGBT的快速可靠關斷，大小一般為－10 V左右;

(5)由于IGBT多用于高壓場合，因此驅動電路要有良好的輸入輸出電隔離能力且不影響驅動信號的傳輸;

(6)具有柵極限幅電路，保證柵極不被擊穿;

(7)輸入輸出信號傳輸的延時盡可能短;

(8)當發生過流、短路等情況時能迅速發出故障信號傳給控制電路做出處理。

目前，市場上常見的驅動器有日本富士的EXB系列、日本英達HR、日本三菱M579系列以及美國的Unitrode公司的UC系列，它們的功能大致相同，但是也有許多不同之處。目前國內流行的EXB841系列不具備定時邏輯柵壓功能，過流時若驅動入口信號消失，則其出口信號隨之消失而損壞 IGBT，且關斷負壓－5 V不夠可靠。HR065的短路保護穩定，但是可靠性能差。

結合大功率有源電力濾波器(APF)裝置的需求，選擇日本三菱公司的M57962AL驅動器來設計電路。

2 IGBT驅動的設計與實現

2.1 驅動電路流程圖和設計要求

圖1為設計的驅動電路的邏輯圖。DSP發出的PWM信號經過轉接板后，再通過光纖傳導到驅動電路上，然后去驅動APF上的IGBT。如果發生短路和過流信號，則通過驅動電路傳導出來經過驅動轉接板傳給DSP，由DSP做出相應的保護動作。

圖1 驅動電路流程圖

2.2 驅動電路的實現

圖2為驅動轉接板電路圖。驅動轉接板的功能就是將從APF控制板中的PWM信號進行轉換，然后通過光纖傳導到驅動板，同時把驅動板中的故障信號通過回傳到APF中的控制器。

圖2 驅動轉接板電路圖

如圖3所示為驅動電路板的電路圖。通過光纖傳導過來的信號輸入到M57962AL的14管腳，故障信號通過PC817傳輸出去。

(1)驅動電路的 UCC、UEE選擇

由于IGBT導通后的管壓降與所加正向柵壓有關，在漏電流一定的情況下，正向柵壓增加時，通態壓降下降，器件導通損耗減少。但若發生短路和過流，正向柵壓越高，則電流幅值越大，IGBT越容易損壞，對集電極額定電流200 A的IGBT來說，UCC選擇+12 V～+15 V比較合適，在這一點，通態接近飽和值，是IGBT最佳工作點。而為了使IGBT在關斷期間可靠截止，給截止狀態的IGBT外加－10 V的反向柵壓UEE比較合適。

圖3 驅動電路板電路圖

(2)驅動電源的電源設計

驅動電路的輸出端通常接高壓大電流電路，為了實現驅動電路中低壓電路和高壓電路兩邊的電路隔離，采用了專門的電源模塊對M57962AL的開通電壓UCC和關斷電壓UEE供電，實現強弱電的隔離。

(3)柵極電阻R2的選擇

柵極驅動電阻的取值非常重要，適當數值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開關開通時間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。從安全可靠性角度來說，應當取較大的柵極電阻，但是，較大的柵極電阻影響開關速度、增加開關損耗。從提高工作頻率角度，應當取較小的柵極電阻。一般情況下，可靠性是第一位的，因此使用中傾向于取較大值的電阻。通過實驗確定柵極電阻的最佳值。由實驗所測比較合適的值是10 Ω。

(4)電容C3的選擇

M57962AL對保護檢測時間的調整可以通過其2管腳和4管腳之間的電容大小來調整，應用很靈活，可以根據實際情況設置。若2管腳懸空，短路保護檢測時間為2.6 μs，保護動作太靈敏，容易引起誤動作。為此，通過在2、4管腳之間接上一個電容C3來調節保護時間，選取1 000 pF電容時的保護時間大約為3 μs，若保護仍然過于敏感，則可選取3 000 pF的電容，此時的保護時間約為 5.6 μs。

(5)故障信號的傳輸

本實驗采用快速光耦PC817傳輸短路和過電流故障信號，如果有更高的要求可以采用光纖對故障信號進行傳導。

2.3 光纖信號傳輸的設計

光纖光纜是由玻璃或塑料制成，所以光纖連接發射器和接收器之間無直接的電氣連接，這有助于減輕環路噪聲問題，并能隔離電壓，以防止相互干擾，不產生附加輻射，對EMI不敏感。所以在驅動和控制電路之間用光纖能精確地傳導PWM信號，不僅解決了功率電路和控制電路之間的強弱電的隔離，抗電磁干擾問題，而且還能實現驅動信號的遠距離傳輸。光纖的另外一個特點是可以實現信號高速傳送，減少傳輸時延，光信號傳輸的一般原理如圖4所示。

圖4 光纖傳送原理圖

在傳輸方面，當采用單脈沖和兩個周期數據傳送測試，輸入信號頻率f=2.5 MHz時的數據延時為160 ns;f為 2 MHz 時的數據傳輸約為 180 ns［3］，在所用裝置中APF的輸出PWM頻率為9.6 kHz時，延時完全滿足所設計IGBT驅動的要求。

光發射器和接受器分別采用Agilent公司的HFBR－1521光發射器和HFBR－2521光接收器，這個組合可實現DC～10 MHz數據的高質量傳送，而且在電流合適的情況下，可傳送幾十米遠。

光纖傳輸信號的最遠距離和傳輸速率有很大的關系，40 kbit/s時，可傳輸120 m，5 Mbit/s時，可傳輸20 m。

3 實驗波形

經過實際的波形測量，在圖5、6中通道1為光纖發射頭前的波形曲線，通道2為光纖接收頭后的波形曲線。由這兩個圖的波形分析得知光纖傳輸系統的延時為大約120 ns，并且在圖6給出了在光纖發射頭前和接收頭后的波形，可以看出這組波形是反向的。

圖5 光纖的延時測量波形

在圖7中通道1所示為從APF中輸出給驅動的波形，通道2為驅動電路輸出的波形。由圖7波形分析得知，APF控制板輸出到最后輸出給IGBT的波形延時500 ns，在設計要求延時范圍內。

圖6 光纖發射頭前波形和光纖接收頭后波形

圖7 驅動輸入和輸出波形

4 實驗結論

性能優越的驅動電路，是有源濾波器(APF)等含有大功率開關管裝置正常工作的保證。通過實驗可以看到，光纖傳輸PWM信號不僅失真小、延時小，而且從根本上消除了主電路對驅動電路的干擾，還能保證長距離傳輸。所設計的基于光纖傳導的驅動電路性能可靠、符合要求，具有一定的實用意義。

［1］陳 堅.電力電子學第二版［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］林渭勛.現代電力電子電路［M］.杭州:浙江大學出版社，2002.

［3］Wang L M，Lorenz R D.Rotor Position Estimation for Permanent Magnet Synchronous Motor using Saliency tracking Self-sensing Method［C］.Proceed of IEEE IAS 2000 Annual Meeting.Rome，Italy:IEEE 2000:445-450.