基于變壓器的功率器件驅(qū)動(dòng)電路的研究

張爭(zhēng)龍，張浩然

（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)具有簡(jiǎn)單、高速門極驅(qū)動(dòng)、低導(dǎo)通損耗的特性,以及能承受大電流的能力，被廣泛應(yīng)用于大功率設(shè)備中。有調(diào)查顯示，這些設(shè)備的故障大部分是由于IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)缺陷或故障造成的

[1]。IGBT驅(qū)動(dòng)電路是系統(tǒng)中連接強(qiáng)電與弱電的接口部分，IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定，更關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行的安全。所以，IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的地位。目前，國(guó)外知名廠商已經(jīng)設(shè)計(jì)出集成的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊并已投入市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)也有類似的產(chǎn)品，但基本存在價(jià)格偏高或可靠性不高等問(wèn)題。由于上述原因，國(guó)內(nèi)外對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的研究從未間斷過(guò)。

本文旨在介紹一種基于變壓器的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。將從電路的原理、參數(shù)的設(shè)計(jì)等多個(gè)方面深入分析此驅(qū)動(dòng)電路，并通過(guò)精確的仿真給出電路運(yùn)行的結(jié)果。此外,本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路同樣適用于驅(qū)動(dòng)MOSFET。

1 IGBT的開(kāi)關(guān)特性與驅(qū)動(dòng)條件

1.1 IGBT的開(kāi)關(guān)損耗

其中，ti為集電極電流開(kāi)始上升的時(shí)刻，ton為導(dǎo)通過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間。

當(dāng)門極-發(fā)射級(jí)電壓VGE下降到VGE(Ion)不足以用來(lái)保持電流iC為穩(wěn)定導(dǎo)通態(tài)時(shí)，IGBT進(jìn)入關(guān)斷過(guò)程。在關(guān)斷過(guò)程中，VCE上升到最大值，iC下降到零。關(guān)斷損耗為：

其中，tv是VCE電壓開(kāi)始上升的時(shí)刻，toff是關(guān)斷過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間[2]。

由以上分析可知，要降低IGBT的開(kāi)關(guān)損耗，必須減小ton與toff，而這就是設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的初衷之一，同時(shí)也是評(píng)判IGBT驅(qū)動(dòng)電路性能的重要指標(biāo)之一。

1.2 IGBT驅(qū)動(dòng)的條件

設(shè)計(jì)合適的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)條件考慮:

(1)在IGBT開(kāi)通時(shí)提供足夠的柵極電壓，并在開(kāi)通期間保持這個(gè)電壓，以提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。

煙氣再循環(huán)技術(shù)是近年來(lái)的熱點(diǎn)問(wèn)題，康恒、荏原、西格斯等焚燒爐供應(yīng)商均針對(duì)各自爐型進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)。目前該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)部分垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行應(yīng)用。以國(guó)內(nèi)2個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠采用的煙氣再循環(huán)技術(shù)為例，介紹2種不同的工藝方案。

(2)在關(guān)斷期間，提供一個(gè)反向偏置電壓，以提高IGBT的抗暫態(tài)(dv/dt)和抗電磁干擾的能力；提供足夠高的開(kāi)關(guān)速度，以使開(kāi)關(guān)損耗能夠被接受。

(3)提供足夠大的控制電路與功率電路的電氣隔離能力，以防止功率電路的強(qiáng)電對(duì)控制電路的影響。

(4)具有靈敏的過(guò)流保護(hù)功能。

(5)能夠使系統(tǒng)中的IGBT有較好的可替換性。

1.3 一般的IGBT驅(qū)動(dòng)

一般的IGBT驅(qū)動(dòng)有直接驅(qū)動(dòng)、光耦隔離驅(qū)動(dòng)。

直接驅(qū)動(dòng)一般采用集成的驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。但是直接驅(qū)動(dòng)的輸入與輸出信號(hào)之間沒(méi)有電氣隔離，使得弱電側(cè)的輸入信號(hào)容易受強(qiáng)電側(cè)的干擾,造成功率器件的誤開(kāi)通,或損壞驅(qū)動(dòng)芯片。因此，直接驅(qū)動(dòng)只適合于低壓、低功率的應(yīng)用場(chǎng)合[1]。光耦隔離驅(qū)動(dòng)盡管能夠提供一定的電氣隔離，但是它的工作頻率不能太高。

2 基于變壓器的IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

IGBT的變壓器驅(qū)動(dòng)方式不僅能夠很好地滿足上述IGBT的驅(qū)動(dòng)條件，而且能夠自由選擇具有強(qiáng)電氣隔離的驅(qū)動(dòng)輸出個(gè)數(shù)，僅一個(gè)變壓器就能驅(qū)動(dòng)半橋或是全橋電路中所有的IGBT。另外，在沒(méi)有獨(dú)立負(fù)電源的情況下，驅(qū)動(dòng)變壓器還能夠?yàn)镮GBT提供負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)可靠的關(guān)斷并抑制干擾，且成本較低。因此，變壓器驅(qū)動(dòng)是較為理想的IGBT驅(qū)動(dòng)方式。

本文設(shè)計(jì)的IGBT變壓器半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。在變壓器的原邊連接兩個(gè)圖騰柱電路作為PWM波產(chǎn)生芯片的輸出級(jí)，以提高電路的驅(qū)動(dòng)能力，最重要的是提供PWM波產(chǎn)生芯片輸出口與變壓器原邊之間的電氣隔離，防止變壓器原邊因設(shè)計(jì)、調(diào)試等問(wèn)題發(fā)生短路時(shí)對(duì)PWM波產(chǎn)生芯片的損害。

2.1 變壓器原邊的隔直電容選取

由于PWM波產(chǎn)生芯片輸出的驅(qū)動(dòng)波形通常含有直流成分，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)變壓器的偏磁。而變壓器偏磁會(huì)使磁通沿磁滯回線正向或反向持續(xù)增加直至使磁芯飽和(即原邊直通)，從而損壞器件。因此需在驅(qū)動(dòng)變壓器的原邊串聯(lián)隔直電容，以濾除驅(qū)動(dòng)脈沖中的直流成分[3]。

設(shè)變壓器原邊的勵(lì)磁電感為2 mH，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率為20 kHz。據(jù)電感電壓公式 UL=L×di/dt，則每個(gè)周期原邊電流為 Ip=15×0.025×10-3/(2×10-3)=0.187 A。設(shè)驅(qū)動(dòng)脈沖電壓波動(dòng)為10%，則初級(jí)電壓最小為15×0.9=13.5 V。設(shè)允許初級(jí)電壓下降為10%，即dV=1.35 V，則：

由式(3)可知，若電容的值取太小，則電壓的下降幅度將會(huì)很大，這會(huì)嚴(yán)重影響變壓器的驅(qū)動(dòng)能力；反之，若電容值取得太大,則電容充滿電荷所需要的時(shí)間也就長(zhǎng)，隔直的效果就會(huì)很差，式(3)給出了隔直電容的最小值。

2.2 變壓器的勵(lì)磁電感計(jì)算

變壓器的勵(lì)磁電感在設(shè)計(jì)中十分重要，勵(lì)磁電感不合理，會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力不足的情況。其計(jì)算公式如下[4]：

其中，μ是磁導(dǎo)率，n1是原邊匝數(shù)，Ac是磁心的有效截面積，lm是磁路長(zhǎng)度。

2.3 IGBT的驅(qū)動(dòng)與關(guān)斷過(guò)程分析

在本文電路中，采用集成芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)[5]，再通過(guò)圖騰柱電路與隔直電容傳遞到變壓器原邊。當(dāng)驅(qū)動(dòng)變壓器原邊上端電壓高于下端電壓時(shí)，次級(jí)高邊的電流方向如圖 2所示，圖中 MOSFET管 Q5由于 UGS＜UGS(th)＜0而導(dǎo)通，致使后面 IGBT的 UGE＞UGE(th)＞0，進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)變壓器原邊的上端電壓低于下端電壓時(shí)，IGBT的UGE＜0,提供此負(fù)壓的回路如圖3所示，需要指出的是，此時(shí)MOSFET管Q5雖然截止，但是 Q5有漏極(D)指向源極(S)的體二極管，這樣就能形成回路。在關(guān)斷的過(guò)程中，為了提高關(guān)斷速度，在電路中增加了放電三極管Q9，這樣由于在關(guān)斷時(shí)刻Q9導(dǎo)通，存儲(chǔ)在CGE的電荷將被迅速釋放以提高關(guān)斷速度。

變壓器次級(jí)低邊的導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程與上述高邊的導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程類似，只是低邊與高邊的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間有所不同。

此外,如圖1所示，當(dāng)半橋中兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，即使是極短的時(shí)間，也將造成直流母線的與地之間的直通，進(jìn)而引起短路，在高電壓、高功率的應(yīng)用中十分危險(xiǎn)。為避免這一狀況，在半橋的兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)中，當(dāng)其中一個(gè)IGBT關(guān)斷的時(shí)刻，另一個(gè)不能立即導(dǎo)通，而應(yīng)當(dāng)存在兩個(gè)IGBT同時(shí)關(guān)斷的一段過(guò)渡時(shí)間,這段時(shí)間稱為死區(qū)[6]。

3 仿真波形分析

本文采用Saber仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功能驗(yàn)證。Saber是專業(yè)的電子與電力電子的仿真軟件，因其具有仿真精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為電子設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3.1 輸入穩(wěn)定時(shí)的驅(qū)動(dòng)

圖4所示為圖1中的兩路PWM波輸入，其頻率均為 20 kHz，幅度均為 15 V，上升時(shí)間為 150 ns，下降時(shí)間為 100 ns，占空比均為0.4，下端的PWM波輸入較上端的PWM波需要延時(shí)半個(gè)周期，以使后面半橋兩IGBT的驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生死區(qū)，防止直流母線與地的直通。

圖5為半橋中兩IGBT的驅(qū)動(dòng)波形(VGE波形)，實(shí)線為高邊IGBT的驅(qū)動(dòng)波形，虛線為低邊IGBT的驅(qū)動(dòng)波形。由圖中可見(jiàn)，兩驅(qū)動(dòng)波形不存在使高低邊IGBT同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻，而且驅(qū)動(dòng)波形的正負(fù)幅值的絕對(duì)值均達(dá)到15 V左右，波形處于幅值時(shí)比較平穩(wěn)，上升與下降速度較快，死區(qū)較為明顯(達(dá)到 5 μs～5.5 μs，為周期的 10%),是較為理想的驅(qū)動(dòng)波形[8]。

3.2 輸入突變時(shí)的驅(qū)動(dòng)

在IGBT驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際運(yùn)行中，輸入的PWM波往往由于電氣參數(shù)設(shè)置不合理、電磁干擾、工作環(huán)境的突然改變，或上電過(guò)程、占空比、頻率等的突變，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)波形的變化。所以本文將對(duì)輸入PWM波的突變進(jìn)行模擬，觀察驅(qū)動(dòng)電路是否能在輸入PWM波突變的情況下正常工作，以此判斷電路設(shè)計(jì)的合理性。

當(dāng)輸入 PWM 頻率依次在5 kHz、10 kHz、20 kHz、4 kHz、10 kHz突變時(shí)，每種頻率的波形所持續(xù)的時(shí)間為各自的兩個(gè)周期，幅度均為15 V，上升時(shí)間為 150 ns，下降時(shí)間為100 ns，占空比均為0.4。圖6所示為上述頻率突變的情況下半橋中兩IGBT的驅(qū)動(dòng)波形(VGE波形)，實(shí)線為高邊IGBT的驅(qū)動(dòng)波形，虛線為低邊IGBT的驅(qū)動(dòng)波形。從驅(qū)動(dòng)波形的上升時(shí)間、幅值及死區(qū)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)觀察，輸入PWM波頻率突變并沒(méi)有造成使高低邊兩IGBT同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)能力也未受太大的影響。由此判斷，此驅(qū)動(dòng)電路能夠適應(yīng)輸入PWM波頻率突變的情形。

當(dāng) 輸 入 PWM 波 占 空 比 依 次 在 0.48、0.1、0.45、0、0.46突變時(shí)，每種占空比的波形所持續(xù)的時(shí)間為兩個(gè)周期,幅度均為 15 V，上升時(shí)間為150 ns,下降時(shí)間為100 ns，頻率均為20 kHz。圖7所示為輸入PWM波占空比突變的情況下，半橋中兩 IGBT的驅(qū)動(dòng)波形(VGE波形)，實(shí)線為高邊IGBT的驅(qū)動(dòng)波形，虛線為低邊IGBT的驅(qū)動(dòng)波形。通過(guò)分析，此電路同樣能夠適應(yīng)輸入PWM波占空比突變的情形。

綜上所述，當(dāng)輸入PWM波的頻率或占空比突變時(shí)，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形并沒(méi)有受到太大的影響，完全符合IGBT的驅(qū)動(dòng)要求。所以，此驅(qū)動(dòng)電路能夠在輸入PWM波頻率、占空比突變時(shí)保持安全、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

結(jié)合Saber仿真軟件，本文所介紹的IGBT驅(qū)動(dòng)電路能夠有效、可靠地驅(qū)動(dòng)半橋電路中的兩IGBT開(kāi)關(guān)管，并具有開(kāi)關(guān)速度快、能夠提供關(guān)斷負(fù)壓、在輸入PWM波突變的情況下仍能穩(wěn)定工作的特性，是一種較為理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

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