1 引言
近年來，igbt功率器件在電機控制、開關電源和變流設備等領域的應用已經(jīng)非常廣泛。igbt的驅(qū)動包括專門的驅(qū)動電路，以及過流保護電路等。本文設計參考了三菱、西門康等公司生產(chǎn)的igbt驅(qū)動模塊，加入了接口選擇模塊、功能選擇模塊、電源模塊、功率補充模塊等，實現(xiàn)了整個驅(qū)動電路的模塊化設計。單個模塊可以驅(qū)動一個橋臂的上下兩個igbt?？梢酝ㄟ^方波控制或者spwm控制[1]等控制方式，驅(qū)動單相或者三相逆變器。
2 igbt驅(qū)動模塊設計
圖1所示為本文設計的igbt驅(qū)動模塊的構(gòu)成圖，主要由五部分電路模塊組成。接口選擇模塊可實現(xiàn)光纖和電信號的切換;功能選擇模塊可實現(xiàn)兩種驅(qū)動模式—獨立驅(qū)動和互補驅(qū)動的切換;電源模塊的作用是給整個模塊提供所需的電壓;驅(qū)動與保護模塊的作用是放大驅(qū)動信號和檢測過流保護;功率補充模塊可用于驅(qū)動不同等級的igbt功率器件。
圖1 igbt驅(qū)動模塊構(gòu)成圖
2.1 接口選擇模塊
圖2 光纖接口電路
接口選擇模塊的設計是為了使驅(qū)動和控制信號可以通過電信號或者光纖傳輸，并且增強信號傳輸過程的抗擾性。圖2是采用光纖接口的電路設計。dsp發(fā)出的驅(qū)動信號signal_in為高時，驅(qū)動板接收的in_x信號為低，反之，驅(qū)動板接收的信號為高。設置dsp主控板發(fā)射的信號為低電平有效，可以防止干擾，例如若發(fā)射端5v信號丟失，接受端就無法接受有效信號，從而避免了誤操作，比采用高有效具有更好的可靠性。本文采用的光纖型號為agilent technologies公司的hfbr-1521。
2.2 功能選擇模塊
圖3 功能選擇模塊電路
圖3為該部分電路示意圖，通過mod開關在5v和gnd的切換，實現(xiàn)mod信號的高低電平切換，再經(jīng)過邏輯電路的處理，實現(xiàn)獨立驅(qū)動和互補驅(qū)動兩種驅(qū)動模式的切換。
如附表所述，獨立驅(qū)動方式下，mod開關接gnd，in_a、in_b兩輸入信號各自獨立，經(jīng)過設定的邏輯處理輸出。若在此驅(qū)動方式下驅(qū)動一個橋臂的上下管，需要輸入的控制信號互補并保證一定的死區(qū)時間，對控制的要求比較高，所以此驅(qū)動方式一般用于驅(qū)動單管。
圖4 死區(qū)產(chǎn)生電路
互補驅(qū)動方式下，mod開關接5v，in_a為驅(qū)動脈沖信號，in_b作為使能信號，使能有效時，兩路輸出高低電平互補的帶死區(qū)的驅(qū)動信號，可以保證上下管的輪流導通。死區(qū)產(chǎn)生電路如圖4所示，通過設定r、c的值，經(jīng)過施密特觸發(fā)器實現(xiàn)延遲觸發(fā)，從而實現(xiàn)死區(qū)的設定。
2.3 電源模塊
圖5 電源模塊原理圖
圖5所示的電源模塊部分電路拓撲采用一個反激變換器，將直流24v供電電壓變換成+15v和-10v的直流電壓，給驅(qū)動與保護模塊供電。該電源模塊隔離電壓為3000vdc。
2.4 驅(qū)動與保護模塊與功率補充模塊
該部分電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。功能選擇模塊輸出的控制信號經(jīng)光耦隔離，驅(qū)動呈推挽結(jié)構(gòu)的三極管輸出+15v或-10v的電壓，通過驅(qū)動電阻rg對igbt的柵極進行驅(qū)動。采用負電壓關斷igbt器件，能夠保證igbt快速有效的關斷，可靠性高。
利用dsat[2]檢測方法對igbt集電極電壓vce的檢測，判斷是否發(fā)生了過流保護，進而產(chǎn)生保護信號，封鎖脈沖。igbt導通時，過流檢測電路的輸入電壓信號vdtect與其內(nèi)部的參考電壓信號vth進行比較，如果vdtect>vth，則認為產(chǎn)生了過流保護。vdtect計算公式見式(1)。其中vce是igbt的導通飽和壓降，vrm是電阻rm上的電壓，
附表 兩種驅(qū)動模式狀態(tài)表
圖6 驅(qū)動、保護及功率補充模塊
rm越大vrm， 是二極管dm的導通飽和壓降。調(diào)節(jié)電阻rm可改變vrm的值，從而改變保護電流閾值的大小。
vdtect=vce+vrm+vdm (1)
功率補充模塊采用三極管推挽結(jié)構(gòu)，作用是加強驅(qū)動電路的驅(qū)動能力，增大驅(qū)動輸出電流，以驅(qū)動大功率的igbt器件。
3 試驗及結(jié)果
圖7 功能選擇模塊輸出波形
圖7為互補驅(qū)動方式下，使能信號有效時功能選擇模塊輸出的兩路驅(qū)動信號的波形，如2、3通道所示?？梢钥闯鰞陕沸盘柍驶パa狀態(tài)，分別驅(qū)動一個橋臂的上下兩管輪流導通。1通道為a路柵極驅(qū)動信號。
圖8 互補驅(qū)動方式下上下管柵極驅(qū)動電壓波形
圖8為功能選擇模塊輸出信號經(jīng)驅(qū)動與保護模塊與功率補充模塊輸出到一個橋臂上下兩igbt柵極的驅(qū)動脈沖的電壓波形。導通信號為+15v，關斷信號為-10v。兩列觸發(fā)脈沖互補，驅(qū)動上下管輪流導通。
圖9 上下管觸發(fā)脈沖死區(qū)波形
圖9為一個橋臂上下兩個igbt的柵極驅(qū)動脈沖信號間的死區(qū)時間的波形，圖4中的r取1kω，c取2.2μf時，死區(qū)時間如圖9所示約為2μs。調(diào)整r、c的值，可以調(diào)整電容c的充放電時間，從而調(diào)整死區(qū)時間的大小。
圖10 三相逆變器輸出波形
圖10為應用三塊該驅(qū)動模塊驅(qū)動三相逆變器的輸出波形，1通道為線電壓波形，為380v;2通道為相電流波形，為80a。該逆變器采用方波控制和星型電感負載，總輸出功率超過50kva。
4 結(jié)束語
本文從模塊化的角度設計了igbt驅(qū)動電路，該電路將各項功能都進行了模塊化設計，包括接口選擇模塊、功能選擇模塊、電源模塊、驅(qū)動與保護模塊以及功率補充模塊。經(jīng)試驗證明，該驅(qū)動模塊具有良好的驅(qū)動能力和保護能力。
：鞏經(jīng)理
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：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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