可控型電力電子器件的隔離驅(qū)動(dòng)

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(西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西西安，710065)

1 引言

電力電子技術(shù)、集成電路制造工藝技術(shù)、微控制器技術(shù)等高速發(fā)展，使得功率電力電子裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如輸配電系統(tǒng)、功率補(bǔ)償裝置、電作動(dòng)機(jī)構(gòu)、變頻電源，其應(yīng)用遍布空、天、地、海軍用領(lǐng)域，以及工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域[1,2]。隨著寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電力電子器件突破散熱、開(kāi)關(guān)損耗、開(kāi)關(guān)延遲等瓶頸之后，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)得到進(jìn)一步的拓展[3,4]。可控型電力電子器件，能夠讓設(shè)計(jì)者通過(guò)控制器控制其開(kāi)通和關(guān)斷工作狀態(tài)，改變主電路的輸出功率，使被控對(duì)象的工作狀態(tài)滿足預(yù)期的需求，得到廣大電力電子裝置設(shè)計(jì)者的青昧。

在電力電子裝置里面，可控型電力電子器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是唯一的能夠改變功率輸出的因素[5]。連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一側(cè)為電力電子器件。相應(yīng)的電力電子器件置于功率主電路中，承受高電壓、大電流的連續(xù)沖擊。連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)的另一側(cè)為微控制器。相應(yīng)的微控制器及其相應(yīng)外圍電路屬于弱電范疇。高壓側(cè)的電壓波動(dòng)，以及PWM斬波控制，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，對(duì)微控制器的程序正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞微控制器。因此在電力電子驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往采用隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使得低壓側(cè)和高壓側(cè)不存在電氣互聯(lián)特性，切斷高壓側(cè)電氣干擾的途徑，以保證微控制器在惡劣電磁環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作，提供電力電子裝置系統(tǒng)的可靠性[6]。

本文在分析可控型電力電子裝置隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)比了典型隔離驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，以指導(dǎo)相關(guān)電力電子裝置設(shè)計(jì)和電力電子模塊化設(shè)計(jì)。

2 可控型電力電子器件驅(qū)動(dòng)

為提高可控型電力電子器件電路的可靠性，驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離技術(shù)經(jīng)常被采用，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隔離型驅(qū)動(dòng)電路框圖

可控型電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生一般采用微控制器。微控制器的可選類型許多，如單片機(jī)、DSP、ARM等。微控制器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方式，主要采用閉環(huán)的形式，對(duì)比給定信號(hào)和反饋信號(hào)，結(jié)合系統(tǒng)所采用的控制律，以PWM信號(hào)的形式進(jìn)行輸出。每個(gè)可控型電力電子器件對(duì)應(yīng)一路PWM信號(hào)。

考慮到PWM斬波控制的對(duì)象為高壓信號(hào)，且電路中的電磁干擾較為嚴(yán)重，隔離芯片經(jīng)常被采用，以提高電路的可靠性。隔離芯片主要用于實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的電氣隔離。隔離芯片輸入側(cè)和輸出側(cè)的信號(hào)，在電源及地線方面不能共用，常通過(guò)DC/DC隔離電源模塊，實(shí)現(xiàn)電源和地線的電氣不相連。

對(duì)于可控型電力電子器件來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在諸多要求，如電壓幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，常采用專用芯片，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大，以滿足驅(qū)動(dòng)信號(hào)的需求。IR系列的芯片，如IR2103、IR2130等，廣泛應(yīng)用于可控型電力電子器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大環(huán)節(jié)。

可控型電力電子器件在DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC四種電力電子變換電路中，存在廣泛的應(yīng)用。依據(jù)被可控的程度，可分為半控型電力電子器件和全控型電力電子器件。前者的典型代表芯片為晶閘管；后者典型代表芯片為MOSFET、IGBT。基于硅的電力電子器件，幾乎占據(jù)整個(gè)電力電子裝置市場(chǎng)。隨著槽柵、FS、SJ等半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的提升，基于硅的可控型電力電子器件制造技術(shù)，遇到瓶頸。寬禁帶半導(dǎo)體器件在耐壓、過(guò)流、開(kāi)關(guān)速度、散熱等方面的優(yōu)勢(shì)，使得該類器件具有較大的發(fā)展空間。國(guó)外的Cree、Rohm都有成熟的碳化硅MOSFET的市場(chǎng)產(chǎn)品。

3 隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)

當(dāng)前，應(yīng)用于可控型電力電子裝置的隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要分類三大類：光電隔離、磁隔離、光纖隔離。下面將針對(duì)這三種隔離技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 光電隔離技術(shù)

光電隔離技術(shù)主要通過(guò)發(fā)光二極管和光敏三極管實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)電氣互聯(lián)特性傳輸，且發(fā)光二極管和光敏三極管集成在同一個(gè)芯片中，其原理圖如圖2所示[7,8]。

圖2中，輸入信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)光二極管D將導(dǎo)通，發(fā)出光源。光敏三極管T接收到發(fā)光二極管D發(fā)出的光之后，使得集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通。整個(gè)電路會(huì)輸出低電平。輸入信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)光二極管D將截止，使得光敏三極管T截止。集電極和發(fā)射極之間斷路。借助于上拉電阻R2，整個(gè)電路會(huì)輸出高電平。電阻R1為限流電阻，用于防止發(fā)光二極管D過(guò)流產(chǎn)生損壞。電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，R1和R2電阻值需要設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際信號(hào)的需求自行選取。

圖2 光電耦合信號(hào)傳輸原理圖

光電隔離技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①成本低；

②芯片設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單；

③輸入信號(hào)的頻率可以高達(dá)數(shù)十MHz。

光電隔離技術(shù)具有如下缺點(diǎn)：

①傳輸延遲較大；

②開(kāi)關(guān)速度較慢，對(duì)信號(hào)的前沿和后沿產(chǎn)生較大的延時(shí)；

③多路應(yīng)用中，各個(gè)光耦器件的參數(shù)需要一致，增加了電路設(shè)計(jì)難度。

3.2 磁隔離技術(shù)

磁隔離技術(shù)主要建立在變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈進(jìn)行能量傳輸時(shí)，無(wú)電氣特性相連基礎(chǔ)上上[9,10]。實(shí)現(xiàn)磁隔離的主要途徑是采用ADI公司生產(chǎn)的ADUM系列芯片。該系列芯片將CMOS技術(shù)和芯片尺寸變壓器有機(jī)結(jié)合起來(lái)，其基本原理如圖3所示。圖中的變壓器，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離的核心部件。

圖3 典型磁隔離芯片工作原理

采用磁隔離技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

①輸入信號(hào)的頻率可以高達(dá)百M(fèi)Hz；

②單個(gè)芯片可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的隔離，在多個(gè)可控型電力電子器件的聯(lián)合控制過(guò)程中，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；

③屬于電壓型器件，外圍電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。

磁隔離技術(shù)具有如下缺點(diǎn)：

①芯片價(jià)格較高；目前主要采用國(guó)外的ADUM系列器件實(shí)現(xiàn)。

②強(qiáng)磁環(huán)境下應(yīng)用的可靠性較低。

3.3 光纖隔離技術(shù)

光纖隔離技術(shù)主要通過(guò)光纖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，由發(fā)射器和接收器兩部分構(gòu)成[11,12]。發(fā)射器和接收器由兩個(gè)獨(dú)立的部件構(gòu)成，有別于光電耦合器件的接收和發(fā)射在同一部件上。其基本工作原理如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)光纖隔離

圖4所示的這種隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，接收器借助內(nèi)部集成的LED燈，發(fā)出nm量級(jí)波長(zhǎng)的光波。借助于光纖，光波將會(huì)被傳送到接收端。接收器在接收端將光波解碼后，控制可控型電力電子器件的開(kāi)通和關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)前，絕大多數(shù)光纖隔離，都采用Agilent公司的產(chǎn)品，如HFBR-1522型發(fā)射器、HFBR-2522型接收器。

光纖隔離技術(shù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①輸入信號(hào)的頻率可以高達(dá)MHz；

②傳輸距離遠(yuǎn)；

③抗電磁干擾性能好；

④隔離電壓較高；

光纖隔離技術(shù)主要具有以下缺點(diǎn)：

①同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，所需的外圍部件較多；

②光纖的機(jī)械強(qiáng)度較低，使得光纖易損壞；

③光纖接口處理需要特殊的設(shè)備，制作較困難。

3 結(jié)語(yǔ)

可控型電力電子器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中必須十分重視。從隔離信號(hào)處理的原理出發(fā)，對(duì)比不同隔離技術(shù)的基本原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，給驅(qū)動(dòng)信號(hào)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)思想。伴隨著智能功率技術(shù)的提升，給驅(qū)動(dòng)、器件集成化設(shè)計(jì)，提供一定的基礎(chǔ)。

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