1引言

在我們研制的30kVA逆變電源中，最容易損壞的部件是組成逆變橋的IGBT，和其它電力電子器件相比，IGBT雖然具有電流容量大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但要用好IGBT，使其不受損壞并不容易。IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)問題是逆變電源能否可靠工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文就30kVA逆變電源裝置中IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)進(jìn)行敘述。

2IGBT的驅(qū)動(dòng)

2.1IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路" title="驅(qū)動(dòng)電路">驅(qū)動(dòng)電路的要求

（1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓

驅(qū)動(dòng)電路提供的正偏壓＋UGE使IGBT導(dǎo)通。增大正偏壓對(duì)減小開通損耗和導(dǎo)通損耗有利，但也會(huì)使IGBT承受短路電流的時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓" title="過電壓">過電壓增大。因此正偏壓要適當(dāng)，通常為＋15V。為了保證IGBT在C－E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓，采用負(fù)偏壓還可以減小關(guān)斷損耗，負(fù)偏壓?。?V左右為宜。

（2）柵極串聯(lián)電阻Rg

IGBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實(shí)現(xiàn)的，因此柵極電阻對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性影響極大，減小Rg使開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗減小，減小關(guān)斷時(shí)dv/dt噪聲帶來誤導(dǎo)通的可能性，提高IGBT的短路耐量，但會(huì)增加續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓，使EMI也增大。對(duì)于1200V/400A的IGBT，Rg取2Ω比較合適。

（3）驅(qū)動(dòng)電路的電源

驅(qū)動(dòng)電路的電源應(yīng)穩(wěn)定，能提供足夠高的正負(fù)柵壓，電源應(yīng)有足夠的功率，以滿足柵極對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求。在大電流應(yīng)用場(chǎng)合，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路最好都采用獨(dú)立的分立絕緣電源。驅(qū)動(dòng)電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨(dú)立，以減小相互間的干擾，推薦使用帶多路輸出的開關(guān)電源作為驅(qū)動(dòng)電路電源。

2.2三菱驅(qū)動(dòng)模塊M57962L簡介

在我們的逆變電源裝置中，使用了日本三菱公司的驅(qū)動(dòng)模塊M57962L。M57962L是N溝道大功率IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路，能驅(qū)動(dòng)600V/400A和1200V/400A的IGBT，M57962L的原理方框圖如圖1所示，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合20kHz左右的高頻開關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻（約185Ω），可將5V的電壓直接加到輸入側(cè)；

圖1M579621L的原理框圖

（2）如果采用雙電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使輸出負(fù)柵壓比較高。電源電壓的極限值為＋18V/－15V，一般?。?5V/－10V；

（3）信號(hào)傳輸延遲時(shí)間短，低電平－高電平的傳輸延遲時(shí)間以及高電平－低電平的傳輸延遲時(shí)間都在1.5μs以下；

（4）具有過流" title="過流">過流保護(hù)功能。M57962L通過檢測(cè)IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L將對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，并輸出過流故障信號(hào)。

　　M57962L的典型應(yīng)用實(shí)例如圖2所示。

3IGBT的保護(hù)

圖2M579621L的典型應(yīng)用實(shí)例

IGBT損壞的原因可以歸結(jié)為以下3個(gè)方面：

過熱損壞，它又分為由于集電極" title="集電極">集電極電流過大引起的瞬時(shí)過熱損壞和其它原因引起的持續(xù)過熱損壞；

集電極發(fā)射極間過壓損壞；

柵極過壓損壞。

因此IGBT的保護(hù)要從以下4個(gè)方面著手：

集電極發(fā)射極間過電壓保護(hù)；

柵極過電壓保護(hù)；

過流保護(hù)；

過熱保護(hù)。

3.1集電極、發(fā)射極間過電壓保護(hù)

IGBT的集電極發(fā)射極間產(chǎn)生過電壓的類型有兩類，即IGBT關(guān)斷過電壓和續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓。安裝緩沖電路是抑制集電極、發(fā)射極間過電壓的有效措施。緩沖電路之所以能減小IGBT集電極發(fā)射極間的過電壓，是因?yàn)樗o回路電感提供了泄能回路，降低了回路電感上電流的變化率。30kVA逆變電源中所采用的緩沖電路如圖3所示。

圖3所示電路中采用以下3種器件及電路：

圖3緩沖電路

（1）金屬氧化物壓敏電阻（Rrl～Rr5）

金屬氧化物壓敏電阻是一種良好的電壓尖峰抑制器件，它的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，能抑制寬度很窄的尖峰電壓，金屬氧化物壓敏電阻具有通流容量大（500A～5000A），平均漏電流?。◣?mu;A），使用電壓范圍廣（30V～1500V），體積小、可靠性高且價(jià)格便宜等特點(diǎn)。但它能抑制的尖峰電壓寬度不能過大，否則壓敏電阻將會(huì)因功耗過大而燒壞。

（2）并在直流母線上的無感電容。

（3）由R，C，VD組成的放電阻止型緩沖電路，在放電阻止型緩沖電路中，要選擇高頻特性好的無感電容器作為緩沖電容，要選擇過渡正向電壓低，反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)特性軟的二極管作為緩沖二極管，緩沖二極管的反向耐壓及峰值正向電流要與IGBT的額定電壓及額定電流相當(dāng)。

圖4柵極過壓保護(hù)電路

3.2柵極過電壓保護(hù)

IGBT的柵極出現(xiàn)過電壓的原因有兩個(gè)：

（1）靜電聚積在柵極電容上引起過壓；

（2）密勒效應(yīng)引起的柵極過壓，柵極過壓保護(hù)電路如圖4所示。

3.3過電流保護(hù)

圖5集中過電流保護(hù)" title="過電流保護(hù)">過電流保護(hù)框圖

在逆變電源的負(fù)載過大或輸出短路的情況下，會(huì)造成IGBT因過流而損壞。在30kVA逆變電源中，采用集中過電流保護(hù)與分散過電流保護(hù)相結(jié)合的過流保護(hù)策略，所謂集中過電流保護(hù)，就是通過檢測(cè)逆變橋輸入直流母線上的電流，當(dāng)該電流值超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖所有橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；分散過電流保護(hù)是通過檢測(cè)逆變橋各個(gè)橋臂上的電流，當(dāng)該電流超過設(shè)定的閾值時(shí)，封鎖該橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采取雙重過電流保護(hù)使裝置的可靠性大大提高。

（1）集中過電流保護(hù)

圖6分散過電流保護(hù)電路原理圖

圖5所示為集中過電流保護(hù)的原理圖

電流檢測(cè)點(diǎn)放在直流側(cè)，檢測(cè)元件采用日本HINODE公司的直測(cè)式霍爾效應(yīng)電流傳感器HAP8－200/4，用以檢測(cè)直流側(cè)電壓的瞬時(shí)值。HAP8－200/4需要±15V的供電電源，額定電流為±200A，飽和電流在450A以上，額定輸出電壓為±4V，di/dt響應(yīng)時(shí)間在10μs以下。在正常情況下，集中過電流保護(hù)電路的輸出OC為高電平，一旦直流母線電流超過設(shè)定的閾值，比較器LM311的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過R2，C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖?，這個(gè)低電平的信號(hào)將使封鎖電路動(dòng)作，封鎖逆變橋所有IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。R2C2組成的延遲電路是為防止封鎖電路誤動(dòng)作而采取的抗干擾措施。

（2）分散過電流保護(hù)

圖6所示為分散過電流保護(hù)的原理圖。我們知道，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓不變時(shí)，IGBT的飽和壓降UCE（sat），將隨著集電極電流Ic的增大而增大，通過查閱三菱1200VIGBT的產(chǎn)品手冊(cè)可知，UCE（sat）與Ic的關(guān)系可由如下經(jīng)驗(yàn)公式表示出來：其中Iced為IGBT的額定電流。

因此通過監(jiān)測(cè)UCE（sat），就可以判斷IGBT是否過流。在圖6中，M57962L通過快恢復(fù)二級(jí)管VD1及穩(wěn)壓管VZ來監(jiān)測(cè)UCE（sat），當(dāng)M57962L輸入側(cè)光耦導(dǎo)通后，并且當(dāng)UAE=UCE（sat）＋UVD1＋UVZ超過閾值UAE＊后，將開始軟關(guān)斷，M57962L的輸出電壓將從正柵壓逐漸下降到負(fù)柵壓。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)VEE=10V，VCC=15V時(shí)，閾值UAE＊=9.5V，并且當(dāng)VEE不變時(shí)，VCC每增加1V，UAE＊也將加1V?？梢钥闯?，改變穩(wěn)壓管VZ的穩(wěn)壓值可以改變分散過流閾值。在實(shí)際裝置中，VCC=15V，VEE=10V，VD為ERA34－10，其管壓降為0.5V，UVZ=5V，這樣分散過流保護(hù)的電流閾值為3倍的額定電流。

3.4過熱保護(hù)

IGBT過熱的原因可能是驅(qū)動(dòng)波形不好或電流過大或開關(guān)頻率太高，也可能由于散熱狀況不良?？梢岳脺囟葌鞲衅鳈z測(cè)IGBT的散熱器溫度，當(dāng)超過允許溫度時(shí)使主電路停止工作。

4結(jié)語

本文介紹IGBT的驅(qū)動(dòng)電路M57962L和逆變電源中IGBT的過壓，柵極過壓，過流、過熱保護(hù)措施，所介紹的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)電路，已成功地應(yīng)用于我們所研制的30kVA正弦波逆變電源裝置中，由于該電源具有良好的驅(qū)動(dòng)和可靠的保護(hù)措施，即使在輸出直接短路的情況下，仍能保證IGBT不損壞，從而確保電源整機(jī)工作的可靠性。