電磁攪拌器變頻電源IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用

汪亮，劉勇，李愛武，解苗，袁鵬，鄒志強(qiáng)

（湖南中科電氣股份有限公司，湖南岳陽 414000）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）是由雙極型三極管（bipolar junc?tion transistor，BJT）和絕緣柵型場效應(yīng)管（metal oxide semiconductor，MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有電流密度高、集電極-發(fā)射極之間耐壓高、開關(guān)速度快和導(dǎo)通壓降低等優(yōu)點(diǎn)，在電磁攪拌器專用變頻電源等電力電子領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。IGBT作為電磁攪拌器專用變頻電源逆變部分的主要器件，而IGBT 驅(qū)動(dòng)電路作為控制電路和主電路功率器件之間的橋梁，是IGBT 可靠穩(wěn)定工作的重要保障。為了能夠更好地驅(qū)動(dòng)大功率IGBT，國內(nèi)學(xué)者采用了許多不同方法，目前普遍采用的IGBT 驅(qū)動(dòng)方法有以下幾種：1）以2SD315A 為核心的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用，該模塊具有驅(qū)動(dòng)電路簡單和驅(qū)動(dòng)功率大的優(yōu)點(diǎn)，但2SD315A 驅(qū)動(dòng)核不具備軟關(guān)斷和有源嵌位功能，對于IGBT 在短路和過壓等極端情況下不能起到很好的保護(hù)作用[2-5]；2）以2SC0435T 為核心的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用，該模塊盡管具有驅(qū)動(dòng)功率大和有源鉗位等特點(diǎn)，但該驅(qū)動(dòng)模塊不具備軟關(guān)斷功能以及沒有引入“智能故障管理系統(tǒng)”，對短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過載保護(hù)等故障都以單一的形式表現(xiàn)，對故障種類沒有區(qū)分不同表現(xiàn)形式[6-8]；3）以HC?PL-316J 門極驅(qū)動(dòng)光耦合器為核心的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用，該門極驅(qū)動(dòng)光耦合器驅(qū)動(dòng)功率小，一般應(yīng)用在100 A 以下的IGBT 驅(qū)動(dòng)上，對于驅(qū)動(dòng)幾百A 的大功率IGBT 時(shí)，一般采用多個(gè)IG?BT并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，這樣大大增加控制部分和驅(qū)動(dòng)電路部分的復(fù)雜性，而且HCPL-316J 門極驅(qū)動(dòng)光耦合器需要兩組獨(dú)立的電源供電[9-10]。

本文在前人研究設(shè)計(jì)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以杭州飛仕得科技有限公司的國產(chǎn)最新智能IGBT 驅(qū)動(dòng)核2FSC0435 為核心，利用該驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電流大、工作頻率高、具有完善的過壓保護(hù)、短路保護(hù)以及軟關(guān)斷功能、有源嵌位功能、電源電壓監(jiān)測以及智能故障管理系統(tǒng)等功能，設(shè)計(jì)了一種適合電磁攪拌器專用變頻電源中的大功率IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)IGBT 驅(qū)動(dòng)核保護(hù)功能不完善的缺陷以及解決采用現(xiàn)有市場上成熟的即插即用IGBT驅(qū)動(dòng)板價(jià)格昂貴的問題。

1 電磁攪拌器變頻電源對IGBT 驅(qū)動(dòng)的要求

電磁攪拌器專用變頻電源其主電路如圖1所示，主電路結(jié)構(gòu)跟普通變頻電源差不多，前端采用二極管不可控整流，中間端采用電解電容儲(chǔ)能濾波，后端采用3組全橋IGBT逆變。

圖1 電磁攪拌器專用變頻電源其主電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit structure of inverter power supply for electromagnetic stirrer

電磁攪拌器變頻電源因所帶的電磁攪拌器負(fù)載特性以及所實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境不一樣，對IGBT驅(qū)動(dòng)電路具有如下一些特需的要求：1）電磁攪拌器正常工作時(shí)都是采用水循環(huán)冷卻方式并且應(yīng)用在連鑄生產(chǎn)線上二冷區(qū)等潮濕環(huán)境中，這樣電磁攪拌器中的線圈極易出現(xiàn)對外殼或者鐵心絕緣損壞的情況，從而造成電磁攪拌器變頻電源輸出對外殼短路或變頻電源輸出相間短路的事故，這需要IGBT 驅(qū)動(dòng)電路能夠在頻繁過載和短路情況下具有很好的短路保護(hù)作用。2）變頻電源輸出在對外殼短路或相間短路等極端情況下，IGBT需要關(guān)斷電流是正常關(guān)斷電流的幾倍或數(shù)十倍，IGBT關(guān)斷產(chǎn)生Ldi/dt尖峰電壓非常高，極高Ldi/dt尖峰和直流母線電壓疊加后極易造成IGBT 出現(xiàn)過壓情況而造成IGBT 過壓擊穿，這需要IGBT 驅(qū)動(dòng)電路能夠在IGBT 的集電極和發(fā)射極之間出現(xiàn)過壓情況下具有很好的保護(hù)作用。3）電磁攪拌器一般通以二相或三相的低頻大電流交流電源，電磁攪拌器變頻電源中逆變開關(guān)器件一般采用1 400 A/1 700 V左右的IGBT，如此大容量的IGBT需要IGBT 驅(qū)動(dòng)電路具有大功率驅(qū)動(dòng)能力和高壓隔離功能。4）隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的發(fā)展，要求IGBT 驅(qū)動(dòng)電路具有多種故障輸出形式，然而傳統(tǒng)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路或驅(qū)動(dòng)模塊故障輸出表現(xiàn)形式單一，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代智能化電磁攪拌器變頻電源的實(shí)際需求。

2 2FSC0435驅(qū)動(dòng)核內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

2.1 2FSC0435簡介

2FSC0435驅(qū)動(dòng)核外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 2FSC0435驅(qū)動(dòng)核外形結(jié)構(gòu)Fig.2 Shape structure of 2FSC0435 drive nucleus

2FSC0435 驅(qū)動(dòng)核是基于杭州飛仕得科技有限公司領(lǐng)先的數(shù)字技術(shù)與強(qiáng)大的硬件設(shè)計(jì)能力推出的一款“高可靠性，高靈活性以及高智能化的”數(shù)字驅(qū)動(dòng)核，是對現(xiàn)有類似驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的一次重大升級(jí)，引入了“不會(huì)壞的驅(qū)動(dòng)器”和“智能故障管理系統(tǒng)”兩大革命性技術(shù)，解決了驅(qū)動(dòng)器自身的可靠性問題與惡劣電磁場環(huán)境下的適應(yīng)性問題。同時(shí)，在保留“有源鉗位”功能的同時(shí)，新增了“軟關(guān)斷”功能，完善了IGBT 驅(qū)動(dòng)的保護(hù)功能，大大拓展了該驅(qū)動(dòng)核的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2 2FSC0435內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2FSC0435 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由電平轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字核邏輯芯片、兩組光耦PWM 信號(hào)傳遞和故障信號(hào)傳遞單元、兩組輸出單元電路以及DC/DC 隔離轉(zhuǎn)換器組成。原邊電源輸入直流電壓15 V，通過DC/DC 電路供電到副邊，保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)的能量輸送；原邊輸入15 V 電平的PWM 信號(hào)輸入通過高壓隔離光耦傳輸至副邊，經(jīng)過相關(guān)單元電路的處理得到開關(guān)器件IGBT或MOSFET 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)門極開通時(shí)，若沒有發(fā)生短路故障，則主功率器件飽和導(dǎo)通，IG?BT-CE 兩端電壓接近于零，退出飽和時(shí)IGBTCE 兩端電壓接近于母線電壓，IGBT-CE 檢測被置位，相應(yīng)的軟關(guān)斷電路被啟動(dòng)來保護(hù)主功率器件不被損壞，同時(shí)故障信號(hào)傳輸至原邊；當(dāng)原邊沒有PWM 信號(hào)輸入，門極則一直處于負(fù)壓關(guān)斷狀態(tài)。

圖3 2FSC0435的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of 2FSC0435

2.3 2FSC0435主要技術(shù)指標(biāo)

2FSC0435 是一款各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)異的雙通道大功率驅(qū)動(dòng)模塊，每個(gè)通道輸出功率最大可到5.5 W，門極最大拉電流和灌電流可達(dá)35 A，高壓側(cè)副邊與原邊的隔離電壓達(dá)5 000 VRMS，幾乎可以應(yīng)用于所有電磁攪拌器專用變頻電源中的IG?BT 驅(qū)動(dòng)。2FSC0435 的極限技術(shù)指標(biāo)和額定技術(shù)指標(biāo)分別見表1和表2。

表1 2FSC0435極限情況下絕對最大額定值技術(shù)指標(biāo)表Tab.1 Technical index of absolute maximum rating under the limit condition of 2FSC0435

表2 2FSC0435推薦工作條件額定技術(shù)指標(biāo)Tab.2 2FSC0435 recommended working conditions rated technical indicators

3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文選用英飛凌公司型號(hào)FF1400R17IP4P（1 400 A/1 700 V）的IGBT 作為電磁攪拌器專用變頻電源的逆變部分主開關(guān)器件，在保證散熱良好的情況下，以該型號(hào)IGBT 組成的全橋逆變單元的變頻電源可以輸出交流有效值為800 A 的電流，幾乎可以驅(qū)動(dòng)所有普通的電磁攪拌器負(fù)載。以2FSC0435 驅(qū)動(dòng)核為核心，結(jié)合上文對電磁攪拌器專用變頻電源中IGBT 驅(qū)動(dòng)的理論分析，對IGBT驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行全面系統(tǒng)地設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和應(yīng)用。

3.1 故障信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

2FSC0435 驅(qū)動(dòng)核原邊內(nèi)部集成有漏極輸出的MOSFET 管，正常使用時(shí)需要額外接上拉電阻，當(dāng)沒有檢測到短路或欠壓等故障時(shí)，輸出為高電平，其中高電平的大小主要由上拉電壓值的大小決定；當(dāng)檢測到短路、欠壓等故障時(shí)，輸出低電平；本文采用5 V上拉電源，上拉電阻為1.5 kΩ。

2FSC0435 驅(qū)動(dòng)核實(shí)時(shí)檢測IGBT 模塊的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)IGBT 模塊發(fā)生短路或者電源欠壓故障時(shí)，將故障狀態(tài)通過FO1 和FO2 信號(hào)腳及時(shí)輸出給控制器，2FSC0435數(shù)字智能驅(qū)動(dòng)核可實(shí)現(xiàn)對不同種類的故障進(jìn)行區(qū)分，上管短路時(shí)，F(xiàn)O1故障輸出低電平時(shí)間20 ms；下管短路時(shí)，F(xiàn)O2 故障輸出低電平時(shí)間40 ms；當(dāng)驅(qū)動(dòng)核供電電源發(fā)生欠壓故障，F(xiàn)O1和FO2故障輸出低電平時(shí)間80 ms。控制器通過識(shí)別故障信號(hào)引腳不同的低電平保持時(shí)間來區(qū)分不同的故障類型，從而有助于售后服務(wù)工程師定位故障種類，參考示意圖如圖4所示。在實(shí)際應(yīng)用過程，為了節(jié)省I/O 口，將FO1 和FO2并聯(lián)后再輸出至施密特觸發(fā)器輸入端，施密特輸出端再輸入至控制器的I/O 口。故障信號(hào)采集電路如圖5所示。

圖4 故障信號(hào)采集原理Fig.4 Principle of fault signal acquisition

圖5 故障信號(hào)實(shí)際應(yīng)用電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of practical application circuit of fault signal

3.2 工作模式選擇與死區(qū)時(shí)間

2FSC0435 智能IGBT 驅(qū)動(dòng)核具有2 種工作模式：直接模式和間接模式。當(dāng)引腳MOD直接連接至GND 時(shí)，模塊處于直接模式，此時(shí)兩通道相互獨(dú)立；當(dāng)引腳MOD 通過電阻（71 kΩ

圖6 2FSC0435驅(qū)動(dòng)的直接模式實(shí)際電路示意圖Fig.6 Schematic diagram of direct mode actual circuit of 2FSC0435 driver

圖7 死區(qū)產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用電路示意圖Fig.7 Schematic diagram of dead zone generation circuit in practical application

式中：R1為電阻R11或R12的阻值大?。籆1為電容C11或C12的容值大??；VDD為施密特觸發(fā)器芯片供電電源，此處VDD=5 V；VTH.high為施密特觸發(fā)器輸入高電平所需的最低輸入電壓大小，此處VTH.high=2 V。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)死區(qū)時(shí)間為24 μs 時(shí)，R11=R12=10 kΩ，C11=C12=4 700 pF。

3.3 開通和關(guān)斷電阻設(shè)計(jì)和應(yīng)用

IGBT 的開通電阻、關(guān)斷電阻阻值大小與IG?BT正常工作時(shí)動(dòng)態(tài)功耗和IGBT 續(xù)流二極管的關(guān)斷尖峰密切相關(guān)。開通電阻和關(guān)斷電阻選取過大，盡管開通時(shí)Cdu/dt和關(guān)斷時(shí)的Ldi/dt比較小，但I(xiàn)GBT 的開通功耗和關(guān)斷功耗比較大；如果IG?BT 開通電阻和關(guān)斷電阻阻值太小，盡管IGBT 動(dòng)態(tài)損耗比較小，但I(xiàn)GBT 開通時(shí)的Cdu/dt、關(guān)斷時(shí)的Ldi/dt以及續(xù)流二極管的電壓尖峰都比較高，極易造成IGBT 擊穿和爆炸，同樣也會(huì)影響IGBT可靠性和穩(wěn)定性。本文結(jié)合IGBT 數(shù)據(jù)說明書，選取IGBT的開通電阻為1.2 Ω，關(guān)斷電阻為3.3 Ω。圖8為開通電阻和關(guān)斷電阻電路原理圖。

圖8 IGBT開通電阻和關(guān)斷電阻實(shí)際應(yīng)用示意圖Fig.8 Schematic diagram of IGBT on and off resistance in practical application

3.4 短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

IGBT在額定電流情況下關(guān)斷沒有問題，但在短路情況下，流過IGBT 的電流大小是正常工作時(shí)的4倍甚至更多倍，在Ldi/dt所引起的尖峰電壓極高和IGBT 流過大電流時(shí)熱量無法釋放等雙重因素影響下，極易造成IGBT 過壓擊穿或過流爆炸。因此，良好的過流檢測電路和保護(hù)電路是解決IGBT 在極端情況下?lián)舸┖捅ǖ淖詈梅绞健?/p>

3.4.1 過流檢測原理分析

2FCS0435 驅(qū)動(dòng)核的過流檢測原理如圖9 所示，集電極電壓通過高壓二極管來檢測，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)核內(nèi)部MOSFET打開，比較器的正輸入端被預(yù)充電/放電至負(fù)電源電壓，比較器不翻轉(zhuǎn)。

圖9 2FCS0435驅(qū)動(dòng)核的過流檢測原理Fig.9 2FCS0435 driver core overcurrent detection principle

過流保護(hù)實(shí)際應(yīng)用電路示意圖如圖10所示。

圖10 過流保護(hù)實(shí)際應(yīng)用電路示意圖Fig.10 Schematic diagram of actual circuit of overcurrent protection

如圖10所示，當(dāng)IGBT 進(jìn)入導(dǎo)通的過程中，內(nèi)部MOSFET關(guān)斷，正電源經(jīng)電阻R1向電容C1充電；正常開通和關(guān)斷時(shí)負(fù)輸入端電壓值遠(yuǎn)大于正輸入端VREF電壓值，當(dāng)發(fā)生短路直通時(shí)，IGBT會(huì)迅速進(jìn)入退飽和狀態(tài)，其兩端的電壓VCE會(huì)迅速達(dá)到直流母線電壓，此時(shí)比較器正輸入端VCE電壓大小超過負(fù)輸入端閾值VREF電壓大小時(shí)，驅(qū)動(dòng)核判定IGBT處于短路狀態(tài)，同時(shí)將故障信號(hào)返回給驅(qū)動(dòng)核上的邏輯芯片，驅(qū)動(dòng)核將啟動(dòng)軟關(guān)斷功能。

3.4.2 過流檢測電路設(shè)計(jì)

過流檢測方案常用的方案有2 種，一種是使用電阻進(jìn)行檢測的退飽和保護(hù)，另一種是使用二極管進(jìn)行檢測的退飽和保護(hù)。本文在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)采用后者方案進(jìn)行過流保護(hù)設(shè)計(jì)。

在IGBT 關(guān)斷狀態(tài)期間，D1和R1將VCEx 引腳設(shè)置為COMx 電位，從而將電容C1預(yù)充電/放電到負(fù)電源電壓，該電壓相對于VEx 大約為-7.8 V。在IGBT 導(dǎo)通時(shí)，電容C1通過R1充電至最高15 V。當(dāng)IGBT集電極電位降低到某一水平時(shí)，C1的電壓被高壓二極管D1和D2鉗住。C1兩端電壓的計(jì)算公式如下：

參考電壓VREF需要高于V1，參考電壓VREF大小通過電阻Rthx來設(shè)置，并通過電流源（典型值為150 μA）和參考電阻Rthx計(jì)算得出，一般取電阻Rthx=68 kΩ，即參考電壓VREF=150 μA×Rthx=10.2 V。

3.4.3 過流響應(yīng)時(shí)間

合適的過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間值是2FSC0435 驅(qū)動(dòng)核可靠的驅(qū)動(dòng)和及時(shí)保護(hù)的重要保證。如果過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間不夠長，則可能在IGBT導(dǎo)通時(shí)容易誤觸發(fā)過流故障；如果過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間過長，發(fā)生短路時(shí)IGBT 中持續(xù)通大電流的時(shí)間會(huì)超過IGBT 模塊的最大允許短路時(shí)間。通過查詢IGBT模塊數(shù)據(jù)手冊，IGBT 模塊的最大允許短路時(shí)間Tp<10 μs，為了保證足夠的設(shè)計(jì)裕量，本文采取響應(yīng)時(shí)間T=8.4 μs。根據(jù)圖10 的電路原理圖可知，過流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間的大小主要由電阻R1向電容C1的充電時(shí)間決定，根據(jù)響應(yīng)時(shí)間T=8.4 μs 和C1=1 000 pF 可以計(jì)算電阻R1的實(shí)際阻值：

3.5 有源鉗位電路設(shè)計(jì)

3.5.1 有源鉗位原理分析

有源鉗位的目的就是防止IGBT 集電極和發(fā)射極之間的電壓過高，一般重載運(yùn)行或者發(fā)生短路時(shí)因?yàn)殡娏髯兓时日８叱鰯?shù)十倍，所以Ldi/dt所帶來的IGBT 關(guān)斷電壓尖峰極高，如果超出了IGBT 集電極和發(fā)射極所承受的電壓，則會(huì)造成IGBT 過壓擊穿，所以有源鉗位電路就是在重載或者短路時(shí)關(guān)斷IGBT免受過壓擊穿。

有源鉗位的原理如圖11 所示。當(dāng)VCE電壓超過TVS 的閾值后，TVS 被擊穿，電流灌入門極，使得VGE上升，IGBT 進(jìn)入線性區(qū)，從而將關(guān)斷電壓限制在安全的范圍內(nèi)。為了提升鉗位效果，飛仕得科技引入了數(shù)控有源鉗位，在門極增加了一個(gè)“數(shù)控電流源”。同高級(jí)有源鉗位，當(dāng)IZ大于某個(gè)閾值后，關(guān)斷N 管，同時(shí)啟動(dòng)“數(shù)控電流源”。此時(shí)，IZ=IG+ID，通過數(shù)控電流源，將IZ保持在一個(gè)低值，TVS 一直處于微弱的擊穿狀態(tài)，直到關(guān)斷結(jié)束。

圖11 有源鉗位的原理示意圖Fig.11 Schematic diagram of the principle of active clamping

3.5.2 有源鉗位電路設(shè)計(jì)

有源鉗位實(shí)際應(yīng)用電路圖示意圖如圖12 所示。有源鉗位是只要集電極與發(fā)射極間電壓超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，就開通IGBT 的軟開關(guān)技術(shù)，從而令I(lǐng)GBT 的集電極-發(fā)射極電壓得到抑制，保證系統(tǒng)正常線性運(yùn)行。

2FSC0435 支持高級(jí)有源鉗位技術(shù)，通過ACLx 引腳反饋到驅(qū)動(dòng)核內(nèi)；當(dāng)20 Ω 電阻（圖12中所示）右側(cè)電壓約超過1.3 V 時(shí)，關(guān)斷MOS 管進(jìn)行關(guān)斷，有效提高有源鉗位效率和降低TVS 的損耗。當(dāng)20 Ω 電阻右側(cè)的電壓接近20 V 時(shí)，關(guān)斷MOS 管將完全關(guān)斷。因?yàn)楸疚倪x用的是1 700 V等級(jí)的IGBT，所以選擇Diotec 公司的6 個(gè)穩(wěn)壓管串聯(lián)連接，其中包括5 個(gè)220 V 的單向TVS（推薦型號(hào)P6SMB220A）和1 個(gè)220 V 的雙向TVS（推薦型號(hào)SMB220CA），在應(yīng)用中每個(gè)通道至少需要1個(gè)雙向TVS 管，是為了避免負(fù)向電流在IGBT 反并二極管處于正向恢復(fù)的開通狀態(tài)時(shí)有電流流過，這樣的電流會(huì)導(dǎo)致副邊電源出現(xiàn)欠壓。

圖12 有源鉗位實(shí)際應(yīng)用電路圖示意圖Fig.12 Schematic diagram of actual application of active clamp

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的合理性，采用以2FSC0435 驅(qū)動(dòng)核為核心設(shè)計(jì)的電路制作了一款數(shù)字智能IGBT 驅(qū)動(dòng)板，選用英飛凌公司型號(hào)為FF1400R17IP4P（1 400 A/1 700 V）的IGBT作為驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)檢驗(yàn)合格完成后應(yīng)用在湖南中科電氣股份有限公司第5代電磁攪拌器專用變頻電源實(shí)際項(xiàng)目中。下面給出部分試驗(yàn)和應(yīng)用過程的實(shí)際波形。

圖13 為以2FSC0435 驅(qū)動(dòng)核為核心設(shè)計(jì)的電路制作的一款數(shù)字智能IGBT驅(qū)動(dòng)板實(shí)物圖。

圖13 以2FSC0435為核心的IGBT驅(qū)動(dòng)板Fig.13 IGBT drive plate with 2FSC0435 as the core

圖14 為數(shù)字智能IGBT 驅(qū)動(dòng)板安裝在電磁攪拌器專用變頻電源柜中的實(shí)物圖，該驅(qū)動(dòng)板直接安裝在IGBT上，免去了IGBT驅(qū)動(dòng)板至IGBT之間的連線，大大增強(qiáng)了IGBT 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

圖14 IGBT驅(qū)動(dòng)板安裝實(shí)物圖Fig.14 IGBT drive plate installation drawing

圖15 為一組橋臂中上、下管IGBT 之間的死區(qū)時(shí)間波形，從圖中可知死區(qū)時(shí)間為24 μs，與理論設(shè)計(jì)的時(shí)間相吻合。

圖15 上下橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間示意圖Fig.15 Schematic diagram of dead zone time driven by upper and lower bridge arms IGBT

圖16 為數(shù)字智能IGBT 驅(qū)動(dòng)板輸出至IGBT基極和發(fā)射極的Vge驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖。

圖16 IGBT驅(qū)動(dòng)電路輸出至基極和發(fā)射極的Vge波形Fig.16 IGBT drive circuit output Vge waveform to base and emitter

圖17 為IGBT 在短路時(shí)IGBT 驅(qū)動(dòng)核輸出VGE實(shí)際電壓波形，從波形可以看出VGE緩慢降低，事實(shí)證實(shí)IGBT 短路或者過載時(shí)驅(qū)動(dòng)核軟關(guān)斷特性好。并且從圖中可知，IGBT 出現(xiàn)短路故障后，大約在8.4 μs的響應(yīng)時(shí)間后執(zhí)行軟關(guān)斷。

圖17 IGBT出現(xiàn)過流故障后驅(qū)動(dòng)電路輸出波形Fig.17 Drive circuit output waveform after the overcurrent fault of IGBT

圖18 和圖19 為采用本文所述的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路所設(shè)計(jì)的電磁攪拌器專用變頻電源柜輸出的三相實(shí)際電壓波形和三相實(shí)際電流波形。圖20 中通道1 為電磁攪拌器專用變頻電源輸出給負(fù)載的實(shí)際輸出單相電流波形，通道4 為電磁攪拌器專用變頻電源輸出給負(fù)載的實(shí)際單相電壓波形，通道M1 為電磁攪拌電源輸出單相電壓與單相電流乘積的實(shí)時(shí)功率大小波形。

圖18 電磁攪拌變頻電源輸出的三相電壓波形Fig.18 Three-phase output voltage waveforms of variable frequency power supply of electromagnetic stirrer

圖19 電磁攪拌變頻電源輸出的三相電流波形Fig.19 Three-phase output current waveforms of variable frequency power supply of electromagnetic stirrer

圖20 電磁攪拌器變頻電源單相輸出電壓、電流和功率波形Fig.20 Single-phase output voltage，current and power waveforms of variable frequency power supply of electromagnetic stirrer

5 結(jié)論

本文以國產(chǎn)的IGBT 驅(qū)動(dòng)核設(shè)計(jì)一款適應(yīng)電磁攪拌器專用變頻電源使用的大功率IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，并將該驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在湖南中科電氣第5代專用變頻電源柜中。通過一年多的工程應(yīng)用實(shí)踐，證明該驅(qū)動(dòng)電路具有較強(qiáng)的大功率驅(qū)動(dòng)能力，而且該IGBT 驅(qū)動(dòng)電路具有完善的短路過流保護(hù)、有源鉗位功能、電源監(jiān)測功能以及智能故障管理功能，極大提高了功率器件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和可靠性，是一種非常高效可靠的大功率驅(qū)動(dòng)電路，在大功率電磁攪拌器變頻電源中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。