基于CLT技術(shù)的三電平逆變器板載式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

吳浩偉，李 鵬，周 樑，徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和先進(jìn)電機(jī)技術(shù)的不斷成熟，艦船綜合電力系統(tǒng)和全電力推進(jìn)已成為世界各國(guó)海軍艦船動(dòng)力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向［1］。由于船舶全電力推進(jìn)系統(tǒng)功率等級(jí)巨大，電網(wǎng)的電壓等級(jí)高，為了滿足這種情況下艦船電網(wǎng)各類電源及電能變換裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)需求，三電平逆變器以其適用于高壓、大容量的特性成為優(yōu)選的技術(shù)方案［2－3］。

三電平變換器中IGBT 是整個(gè)電路進(jìn)行電能變換的核心部件。由于IGBT 器件工作時(shí)需要對(duì)高電壓、大電流做高頻斬波變換，自身的熱損耗大，電磁干擾嚴(yán)重，工作環(huán)境較為惡劣。此外，由于三電平逆變電路中每個(gè)橋臂上串聯(lián)有4 個(gè)IGBT 開關(guān)管，存在更多的開關(guān)狀態(tài)，因此每個(gè)開關(guān)管在開關(guān)過程，其驅(qū)動(dòng)的浮地電位變化更加頻繁，驅(qū)動(dòng)信號(hào)受到其他開關(guān)管的影響更多，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求也就越高。因此，為了保證IGBT 器件的工作可靠性，充分發(fā)揮IGBT 開關(guān)特性以及在故障時(shí)能迅速發(fā)揮保護(hù)功能，三電平逆變器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前，常見的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路主要是基于EX841、M57962、IR2110 等驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)開發(fā)，雖然其功能基本能夠滿足IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)要求，但也存在以下缺點(diǎn):如EXB 系列過流保護(hù)無自鎖能力，負(fù)偏壓不足;M579 系列過流保護(hù)僅對(duì)IGBT 軟關(guān)斷，不能進(jìn)行降柵壓保護(hù)，且工作頻率和控制精度受到限制［4］。為了克服當(dāng)前主流IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中的不足，設(shè)計(jì)高性能、高可靠性的驅(qū)動(dòng)電路，本文引入采用無磁芯變壓器磁技術(shù)(Coreless Transformer Technology，CLT)的高性能驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12，通過分析其工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路在故障保護(hù)和電磁兼容上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了板載式IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，最后給出該驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)用于三電平逆變器中的試驗(yàn)結(jié)果。

1 無磁芯變壓器驅(qū)動(dòng)技術(shù)

IGBT 驅(qū)動(dòng)電路所承擔(dān)的一個(gè)重要功能就是要保證PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)低壓側(cè)和主電路高壓側(cè)良好的電氣隔離，尤其是對(duì)于橋臂上存在多個(gè)驅(qū)動(dòng)浮地電位的三電平逆變器而言更為重要。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)隔離方法多采用高頻驅(qū)動(dòng)變壓器和光耦隔離。對(duì)于直接使用高頻驅(qū)動(dòng)變壓器而言，這種無源式的驅(qū)動(dòng)能力較小，受到IGBT 柵源之間結(jié)電容的影響，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變形明顯;對(duì)于采用光耦隔離的驅(qū)動(dòng)方式而言，其存在老化現(xiàn)象，對(duì)高溫耐受性一般，并且傳輸延時(shí)相對(duì)較大。

采用無磁芯變壓器驅(qū)動(dòng)的技術(shù)原理如圖1所示。其通過在半導(dǎo)體內(nèi)集成無磁芯變壓器實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離傳遞，阻斷了主回路的強(qiáng)電磁干擾成分向控制回路的傳導(dǎo)途徑，并通過運(yùn)放電流實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力的增強(qiáng)，彌補(bǔ)了常規(guī)無源式變壓器隔離驅(qū)動(dòng)能力不足的問題。此外，CLT 技術(shù)還具有信號(hào)傳輸速度快、延時(shí)小、工作溫度范圍寬，且性能不隨使用壽命增加而降低的特點(diǎn)，有效的保證了芯片在各類工作環(huán)境和全壽命周期中的工作可靠性。

圖1 無磁芯變壓器驅(qū)動(dòng)原理示意圖Fig.1 The diagram of CLT drive

2 1ED020I12 芯片

1ED020I12 是Infineon 公司基于無磁芯變壓器磁隔離技術(shù)開發(fā)的新一代高性能IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片(見圖2)。其特點(diǎn)為:采用SO－16 貼片封裝，體積小巧，驅(qū)動(dòng)信號(hào)磁隔離，高達(dá)2 A 的推挽輸出能力，150℃工作溫度的高可靠性設(shè)計(jì)，故障自動(dòng)鎖定，有源鉗位，內(nèi)部集成欠壓保護(hù)，IGBT 飽和壓降檢測(cè)等故障自檢測(cè)能力，全面兼容5 V CMOS 信號(hào)，自身工作電壓范圍寬，且芯片小巧緊湊，自身功耗低，易于應(yīng)用。

圖2 1ED020I12 芯片外觀及管腳圖Fig.2 The picture and pin map of 1ED020I12

當(dāng)前常見的高性能驅(qū)動(dòng)芯片還有Agilent 公司的HCPL－316J、夏普公司的PC929 與1ED020I12，等。它們的主要特性對(duì)比如表1所示。由對(duì)比表可以看到，驅(qū)動(dòng)芯片1ED020I12 不僅具備優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)能力、完善的保護(hù)功能，而且由于無磁芯變壓器技術(shù)的引入，可承受的工作溫度更高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快，因此在能夠輸出的最小驅(qū)動(dòng)脈寬和最大工作溫度上比采用光耦隔離的驅(qū)動(dòng)芯片有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 主流高性能驅(qū)動(dòng)芯片性能對(duì)比表Tab.1 Comparison of high performance driver chips

3 基于1ED020I12 芯片的驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

1)驅(qū)動(dòng)輸出電路

采用1ED020I12 驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的IGBT 驅(qū)動(dòng)板后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。驅(qū)動(dòng)芯片7 腳輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電阻R4 連接到IGBT 的柵極。R4 的電阻阻值對(duì)IGBT 的開關(guān)特性有重要的影響:當(dāng)阻值增大時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的前后沿變化率減小，減慢了IGBT 的開關(guān)速度，可有效減小IGBT 關(guān)斷過程中的尖峰電壓和寄生振蕩，但開關(guān)損耗會(huì)增加;反之，當(dāng)阻值減小時(shí)，IGBT 開關(guān)速度加快，開關(guān)損耗會(huì)得到降低，但開關(guān)過程的電磁干擾問題會(huì)加重，因此，驅(qū)動(dòng)電阻R4 的取值應(yīng)更加實(shí)際需求綜合權(quán)衡確定。二極管Z1 是雙向穩(wěn)壓二極管，防止驅(qū)動(dòng)電路輸出故障時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓過高而損壞IGBT的柵極，該穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值應(yīng)稍高于驅(qū)動(dòng)電壓，通常可取為±18 V。IGBT 的集電極－柵極和柵極－發(fā)射極之間存在著寄生電容，當(dāng)IGBT 集電極和發(fā)射極之間的電壓突然變化時(shí)，就會(huì)通過這些寄生電容產(chǎn)生電流，使柵極電勢(shì)上升，造成IGBT 誤觸發(fā)。為了防止上述情況的發(fā)生，通常應(yīng)在IGBT 的柵極和發(fā)射極之間接一個(gè)門級(jí)下拉電阻R11，來提供一個(gè)低阻抗回路，保證IGBT 柵極電位不會(huì)到干擾。

圖3 后級(jí)驅(qū)動(dòng)輸出電路圖Fig.3 Driving output circuit

2)短路故障保護(hù)電路

IGBT 的短路故障保護(hù)是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)［5］，芯片自身雖然已經(jīng)集成了驅(qū)動(dòng)電壓欠壓等基本的保護(hù)功能，但對(duì)于逆變器運(yùn)行最為關(guān)鍵的IGBT短路保護(hù)功能必須通過外部電路的輔助才能實(shí)現(xiàn)。該驅(qū)動(dòng)芯片3 腳在芯片輸出高有效驅(qū)動(dòng)電平時(shí)作為電流源，對(duì)外輸出μA 級(jí)電流，并具備IGBT 導(dǎo)通飽和壓降的檢測(cè)能力。當(dāng)IGBT 導(dǎo)通時(shí)，由于其導(dǎo)通電壓較低，因此3 腳的電壓通過二極管D6 被嵌位限制住;而當(dāng)IGBT 發(fā)生短路故障時(shí)，其導(dǎo)通電壓基本相當(dāng)于直流母線電壓，因此3 腳輸出的電流將電容C22 的電壓不斷充高，當(dāng)達(dá)到9V，驅(qū)動(dòng)芯片自動(dòng)進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)，封鎖IGBT 驅(qū)動(dòng)輸出。

由于二極管D6 要連接到IGBT 的高壓側(cè)，因此需選用高壓二極管，以防止擊穿。并且，由于該二極管的漏電流同樣會(huì)影響電容C22 的電壓高低，因此要求其漏電流必須盡可能小。對(duì)于1 200 V 的應(yīng)用場(chǎng)合，該二極管可選用2 只1N4007 串聯(lián)。R6和C22 組成短路故障檢測(cè)的延時(shí)環(huán)節(jié)，因?yàn)镮GBT 的開通過程需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)IGBT 集電極和發(fā)射極之間的電壓依然較大，此時(shí)應(yīng)屏蔽驅(qū)動(dòng)芯片的飽和壓降檢測(cè)功能，以避免誤判斷。R6和C22 的取值大小應(yīng)結(jié)合驅(qū)動(dòng)電阻的阻值大小，根據(jù)IGBT 的開關(guān)特性綜合考慮。

圖4 短路故障保護(hù)電路Fig.4 Fault protection circuit

4 驅(qū)動(dòng)板的電磁兼容設(shè)計(jì)

雖然驅(qū)動(dòng)芯片本身提供了一定的抗電磁干擾能力，但電磁兼容設(shè)計(jì)一直都是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是對(duì)于直接安裝在IGBT 表面的板載式驅(qū)動(dòng)板而言，其電池兼容設(shè)計(jì)應(yīng)予以足夠的重視［6］。

1)驅(qū)動(dòng)電源共模濾波

對(duì)于三電平逆變器而言，由于驅(qū)動(dòng)浮地電位變化較傳統(tǒng)的兩電平變換器而言更加復(fù)雜，因此在驅(qū)動(dòng)電路上應(yīng)更重視其抗共模干擾的設(shè)計(jì)部分。由于目前的驅(qū)動(dòng)電源多采用高頻DC/DC 變換電路，并利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離。受高頻變壓器分布參數(shù)的影響，IGBT 開關(guān)引起的共模噪聲信號(hào)依然能夠通過驅(qū)動(dòng)電源傳遞到控制回路，對(duì)驅(qū)動(dòng)板的正常工作造成干擾。因此，各驅(qū)動(dòng)電源在輸入端引入圖5所示的EMI 電路。該電路C1 電容接外部公共電源，作為差模濾波電容保證輸入電壓的平穩(wěn)，電容C2和C3 電容連接成共模濾波形式，和共模濾波電感L1 一起作為共模濾波電路，有效抑制開關(guān)過程中形成的共模噪聲干擾外部的公共電源回路。

圖5 EMI 濾波電路Fig.5 EMI filter circuit

2)PCB 走線和布板

IGBT 驅(qū)動(dòng)板在布板時(shí)應(yīng)注意強(qiáng)電和弱電電路分開，由于同一驅(qū)動(dòng)板需要驅(qū)動(dòng)不同電位下的2 個(gè)IGBT，因此2 個(gè)彼此獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)部分也應(yīng)該清晰的分隔開來，并通過PCB 開槽的方法增大兩部分驅(qū)動(dòng)電路間的爬電距離，保證耐壓要求。

PCB 在布線時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)從驅(qū)動(dòng)芯片輸出后通過驅(qū)動(dòng)電阻應(yīng)盡快連接到IGBT 的驅(qū)動(dòng)端，走線應(yīng)盡可能的短，以減小線路雜散電感。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入和輸出部分在走線時(shí)正、負(fù)走線應(yīng)盡可能的貼近，盡量減小環(huán)路面積，以抑制電磁干擾;對(duì)于電源和地線，在布線時(shí)應(yīng)盡可能的寬，以保證適應(yīng)大電流流過的需求，在有可能的地方大面積敷銅，以減小電源的輻射干擾，尤其是在驅(qū)動(dòng)芯片的電源和地線端腳，大面積的敷銅不僅可以保證大電流的走線要求，而且銅作為熱的良導(dǎo)體，敷銅可有效幫助芯片散熱，降低工作溫度，提高工作可靠性。

5 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)目前常見的Infineon 公司EconolDUAL2 IGBT模塊設(shè)計(jì)開發(fā)了基于CLT 技術(shù)的板載式驅(qū)動(dòng)板，如圖6所示。其大小僅為50 mm×80 mm，可以直接安裝在IGBT 表面，并能夠承受住IGBT 開關(guān)過程中嚴(yán)重的電磁干擾。利用1 臺(tái)DC 900 V 15 kW 三電平逆變器對(duì)該驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，PWM 開關(guān)頻率為5 kHz，試驗(yàn)波形如圖7所示。

圖6 IGBT 驅(qū)動(dòng)板Fig.6 IGBT driver board

圖7 IGBT 驅(qū)動(dòng)波形Fig.7 IGBT drive signal wave

圖7 為三電平逆變器2、4 管IGBT 的驅(qū)動(dòng)波形，開通電壓+15 V，關(guān)斷電壓－9 V。從圖中可以看到，2 路驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)對(duì)稱，波形穩(wěn)定、純凈，開關(guān)過程的跳變沿陡峭，干擾成分抑制得較好，即使在DC 900 V下也能穩(wěn)定可靠地驅(qū)動(dòng)IGBT，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié) 語

三電平逆變器IGBT 開關(guān)器件多、開關(guān)狀態(tài)復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)可靠性要求高，要求IGBT 驅(qū)動(dòng)板體積小、易安裝、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠性高。利用Infineon 公司基于無磁芯變壓器磁隔離技術(shù)的驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)開發(fā)了小巧靈活、功能完善、安全可靠的板載式IGBT 驅(qū)動(dòng)器，通過在驅(qū)動(dòng)電路、故障保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)板電磁兼容性等多方的精心設(shè)計(jì)，該驅(qū)動(dòng)板能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)能力和穩(wěn)定可靠的工作性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］馬偉明．艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14(6):1－6．

MA Wei-ming．Integrated power systems—trend of ship power development［J］．Journal of Naval University of Engineering，2002，14(6):1－6．

［2］NABAE A，TAKAHASHI I，AKAGI H．A new neutralpoint-clamped PWM inverter［J］．IEEE Transactions on Industry Application，1981，17:518－523．

［3］吳浩偉，周樑，李鵬，等．高變換效率的艦船逆變器設(shè)計(jì)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(11):71－74．

WU Hao-wei，ZHOU Liang，LI Peng，et al．Design of a high efficiency ship inverter［J］．Ship Science and Technology，2012，34(11):71－74．

［4］劉偉明，朱忠尼．光耦合器HCPL－316J 在IGBT 驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用［J］．空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22(2):110－112．

LIU Wei-ming，ZHU Zhong-ni．Application of optocoupler HCPL－316J to IGBT drive circuit［J］．Journal of Air Radar Academy，2008，22(2):110－112．

［5］MAJUMDAR B，MUKHERJEE P，et al．IGBT gate drive circuit with in-built proctection and immunity to transient fault［C］．Proceedings of IEEE Intermational Conference on Industrial Technology，2000:615－612．

［6］趙慧杰，鄺乃興，崔彬．三電平逆變器IGBT 驅(qū)動(dòng)電路電磁兼容研究［J］．電源技術(shù)應(yīng)用，2007，10(2):33－37．

ZHAO Hui-jie，KUANG Nai-xing，CUI Bin．Study of electromagnetic compatibility in IGBT driver of three－level inverter［J］．Power Supply Technologies and Applictions，2007，10(2):33－37．