用于有源电力滤波器的IGBT驱动及保护研究
关键词：有源电力滤波器；IGBT；EXB84l；驱动保护
l 前言
绝缘栅场效应晶体管(IGBT)作为一种复合型器件，集成了MOSFET的电压驱动和高开关频率及功率管低损耗、大功率的特点，在电机控制、开关电源、变流装置一体成型电感器及许多要求快速、低损耗的领域中有着广泛的应用。本文对应用于有源电力滤波器的IG绕行电感BT的特性及其专有EXB84l型驱动器的设计进行讨论，并提出一种具有完善保护功能的驱动电路。
有源电力滤波器设计中应用4个IGBT作为开关，并用4个EXB84l组成驱动电路，其原理如图l所示。在实验中，根据补偿电流与指令电流的关系，用数字信号处理器(DSP)控制PWM引脚的高低电平，并由驱动电路控制IGBT的通断。驱动电路同时对过流故障进行监测，由DSP采取封锁控制信号、停机等处理。
2 驱动电路的设计
2.1 电感变压器驱动电路电源
驱动电路需要4路相互隔离的直流电源为4路IGBT驱动电路供电，用220V/22V变压器对4路交流电源分别整流，用电容器和78L24型电压调整器稳压后输出4路24V直流电压，如图2所示。
2.2 栅极电压
IGBT通常采用栅极电压驱动，它对栅极驱动电路有着特殊的要求。栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要足够大，导通时，前沿很陡的栅极电压UGE可以使IGBT快速导通，并减小导通损耗，关断时，其栅极驱动电路要给IGBT提供一个下降很陡的关断电压，并在栅极和发射极之间施加一个适当的反向负偏压，以便使IGBT快速关断，并减小关断损耗。IGBT导通后，栅极的驱动电压和电流要有足够的宽度，以保证IGBT在瞬时过载时未退出饱和区受到损坏。栅极驱动电压推荐值为15 V±1.5 V，这个电压值使IGBT完全饱和导通，并使通态损耗减至最小。施加关断负偏压可以抑制C-E间出现du/dt时IGBT的误导通，也可以减少关断损耗。
2.3 门极电阻R1
门极电阻R1的选取对通态电压、开关时间、开关损耗及承受短路的能力都有不同程度的影响。当门极电阻增大时，IGBT的开通和关断时间增加，从而使导通和关断损耗增加。当门极电阻减小时，则会导致di/dt增加，从而引起IGBT的误导通。所以应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率的不同选择R1的阻值。
Rl的值可以用下式计算：
IC为IGBT的集电极电流。如图3所示，一般R1取十几欧姆到几十欧姆，R2为30 Ω。由于IGBT是压控器件，当集-射极间加高压时，很容易受外界干扰，而使栅-射极间插件电感电压超过一定值，引起器件误导通，为了防止这种现象的发生，在栅-射极间并联一电阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍，而且应将它并联在栅-射极最近处。电路中的电容器Cl和C2用来抑制因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是用于电源滤波。
2.4 EXB841驱动环节
笔者在实验中采用的是EXB841型专用IGBT驱动模块，其最高运行频率为40 kHz，输入信号经内部光耦隔离，光隔驱动电流为10 mA，最大延时约为1 μs。工作温度范围为-10℃~+85℃，供电电压为+20 V～+25 V。笔者对EXB841功能进行了扩展，图3为驱动环节电路。
EXB841的6引脚连接的二极管可检测IGBT的饱和压降，用来完成过流保护功能，4引脚的过流保护信号延时10μs输出。当IGBT有过流时，若UCE大于7.5V，内部过流保护电路开始动作，软关断IG-BT。通常在IGBT通过额定电流时UCE为3.5 V，当UCE=7.5 V时，IGBT有过流，其值约为额定电流的3~5倍，但是由于没有达到保护的阈值，保护电路不起作用。如果长时间工作在这种状态，则会导致IGBT损坏。为了可靠地保护IGBT，应该降低过流保护阈值，可以在D1与IGBT的集电极间反串一个稳压管，或多串几个与D1同规格的快速恢复二极管。如图3通过反串一个IN4728型3.3 V稳压管使保护阈值降为4.2V。当检测到IGBT过流后，5引脚变为低电平，TPL521型光耦输出低电平，通过与门封锁控制信号输入，同时使4输入与非门输出低电平，触发功率驱动保护中断，完成相应的保护处理。
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