摘 要： 為了滿足感應(yīng)加熱電源中對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能的要求，采用北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的專用于大功率單管MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片TX-KA101為核心器件設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)芯片具備完善的三段式過流保護(hù)功能，工作頻率高(可達(dá)80 kHz),延遲時(shí)間小,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，保護(hù)功能完善，因而非常適合10~50 kW感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用。對(duì)此驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成、工作原理、外圍電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置作了詳細(xì)的描述并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后經(jīng)部分公司在中頻感應(yīng)加熱電源上的成功應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證了由KA101驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠,效率高,發(fā)熱量小，可以經(jīng)受工業(yè)環(huán)境中的嚴(yán)峻考驗(yàn)。
關(guān)鍵詞： 感應(yīng)加熱； IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)；TX-KA101；三段式過流保護(hù)
感應(yīng)加熱電源已經(jīng)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，其中功率半導(dǎo)體器件及其控制技術(shù)的發(fā)展是影響大功率感應(yīng)加熱電源應(yīng)用水平的重要因素。目前以IGBT器件為代表的功率半導(dǎo)體器件采用電壓型驅(qū)動(dòng)，具有驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、飽和壓降低以及可耐高壓、大電流等一系列優(yōu)點(diǎn)[1],被廣泛運(yùn)用在感應(yīng)加熱電源中。
在IGBT的具體應(yīng)用中，對(duì)于不同的頻率、功率等級(jí)和不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路各不相同。因此需要應(yīng)用工程師考慮方方面面的問題。針對(duì)IGBT構(gòu)成的單相橋式串聯(lián)諧振逆變器的感應(yīng)加熱電源,本文提出一種采用北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片TX-KA101作為核心器件，附加簡(jiǎn)單的外圍和檢測(cè)電路構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路,很好地解決了以上幾個(gè)方面的問題。它具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、延時(shí)小、工作頻率高的優(yōu)點(diǎn)，在短路過流保護(hù)方面，采用優(yōu)于行業(yè)其他產(chǎn)品的三段式過流軟關(guān)斷技術(shù)，能有效降低IGBT損壞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)可根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)保護(hù)閾值、盲區(qū)、軟關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)，使產(chǎn)品的適用性得到極大的提高。
1 KA101驅(qū)動(dòng)構(gòu)成及工作原理
1.1 KA101主要特點(diǎn)
TX-KA101是北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的專用于IGBT驅(qū)動(dòng)的單管大功率集成芯片，它具有驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間小(小于0.6 μs)、工作頻率高(可達(dá)80 kHz)的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)輸出正電壓+14.5 V,負(fù)電壓-8.5 V，保證可靠的關(guān)斷且避免了干擾。此外，它還具有工作效率高、發(fā)熱量小、外圍電路簡(jiǎn)單、保護(hù)參數(shù)齊全、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
1.2 驅(qū)動(dòng)電路原理
圖1是TX-KA101的原理框圖，PWM信號(hào)經(jīng)高速光耦HCPL-0453隔離、放大，再到輸出驅(qū)動(dòng)IGBT。當(dāng)IGBT集射極電壓超過用戶設(shè)定閾值時(shí)，檢測(cè)過流端(7腳)就會(huì)檢測(cè)到，從而啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制：先是有一段盲區(qū)(避免尖峰干擾)；然后是降柵壓，讓短路電流減小，延長(zhǎng)允許的短路過流時(shí)間；之后再判斷是不是真過流，若是真過流則進(jìn)行軟關(guān)斷一直到可靠關(guān)斷的負(fù)電平(大約-3 V)，否則恢復(fù)正常PWM波。
4 IGBT過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇
驅(qū)動(dòng)器保護(hù)信號(hào)接口如圖3所示。
4.1過流閾值設(shè)定及調(diào)試
觸發(fā)過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)的7腳對(duì)16腳的電壓為過流閾值。當(dāng)7腳對(duì)16 腳(即 IGBT 的集射極)的電位升高到7.5 V時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制，在6腳與16腳間接一個(gè)電阻Rn可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)過流保護(hù)的閾值。
4.2 盲區(qū)時(shí)間設(shè)定
檢測(cè)到IGBT集電極的電位高于保護(hù)動(dòng)作閾值后到開始降柵壓的時(shí)間為盲區(qū)時(shí)間。因?yàn)楦鞣N尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響驅(qū)動(dòng)芯片的正常工作，設(shè)立盲區(qū)是很有必要的。在5腳與12腳間接一個(gè)電容Cblind可以調(diào)大盲區(qū)的時(shí)間。
4.3 預(yù)降柵壓
實(shí)踐證明，IGBT的短路電流與柵壓有密切的關(guān)系，柵壓越高，短路時(shí)的電流就越大[2]。為避免關(guān)斷IGBT時(shí)Ldi/dt過大而形成過壓，導(dǎo)致IGBT失控或過壓損壞，采用降柵壓(這里Vdrop=5 V)的軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)，以減小故障電流的幅值，延長(zhǎng)IGBT承受短路電流的時(shí)間，通過9腳可以設(shè)置降柵壓的斜率。
4.4 延遲時(shí)間設(shè)定
初始柵壓開始降低到驅(qū)動(dòng)器開始軟關(guān)斷IGBT之間的時(shí)間為延遲時(shí)間。在Tdelay時(shí)間內(nèi)，如果過流信號(hào)消失，則驅(qū)動(dòng)器認(rèn)為這種過流不屬于真正的短路，無需中斷電源的正常工作，而恢復(fù)原來的驅(qū)動(dòng)電平。如果過流信號(hào)仍存在，則將進(jìn)入軟關(guān)斷的進(jìn)程。在8腳與16腳間接一個(gè)電容Cdelay，可以設(shè)定延遲判斷時(shí)間Tdelay。
4.5 軟關(guān)斷時(shí)間設(shè)定
驅(qū)動(dòng)脈沖電壓從開始軟關(guān)斷降至到0電平的時(shí)間為軟關(guān)斷時(shí)間。在11腳與16腳間接一個(gè)電容Csoft，可加大軟關(guān)斷時(shí)間。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動(dòng)器封鎖輸入PWM信號(hào)，即使PWM信號(hào)變成低電平，也不會(huì)立即將輸出拉到正常的負(fù)電平，而要將軟關(guān)斷過程進(jìn)行到底，以確保IGBT可靠關(guān)斷。
5 柵極電阻Rg的選取
5.1 柵極電阻作用
選擇適當(dāng)?shù)臇艠O電阻對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要，柵極電阻大，開通速度慢，開關(guān)損耗大；柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗小，但過小的柵極電阻會(huì)引起柵極震蕩，且驅(qū)動(dòng)速度過快也將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，因此必須統(tǒng)籌兼顧兩者的關(guān)系。5.2節(jié)給出了柵極電阻的大致適用范圍，可結(jié)合所選IGBT與表2及實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行選擇。
5.2 柵極電阻及驅(qū)動(dòng)功率要求
各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會(huì)有很大的差異。初試可按表2進(jìn)行選取[3]。
6 KA101的典型應(yīng)用連接與實(shí)測(cè)波形
6.1 KA101的典型應(yīng)用連接
圖4給出TX-KA101的典型應(yīng)用連接。
下面對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的正常驅(qū)動(dòng)和當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)是否進(jìn)行降柵壓、軟關(guān)斷保護(hù)以及當(dāng)有外來過流信號(hào)時(shí)是否執(zhí)行軟關(guān)斷封鎖脈沖等性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖5為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖5(a)是86 kHz正常驅(qū)動(dòng)輸出情況，輸出上升延遲為200 ns，下降延遲600 ns，上升、下降沿陡峭；圖5(b)是25 kHz時(shí)降柵壓、軟關(guān)斷信號(hào)封鎖波形。改變Csoft的值可以改變軟關(guān)斷的斜率時(shí)間。
從圖5(a)~圖5(c)可以看出，TX-KA101在正常時(shí)能可靠驅(qū)動(dòng)IGBT，在發(fā)生過流時(shí)也能很好地保護(hù)IGBT不被損壞，是一款性能良好的驅(qū)動(dòng)芯片。
6.2 KA101在中頻感應(yīng)加熱應(yīng)用中的部分實(shí)測(cè)波形
逆變主電路采用全橋串聯(lián)諧振形式, 三相AC 380 V輸入，輸出功率60 kW，諧振頻率22 kHz。其KA101的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用連接電路如圖6所示(Q1、Q2用英飛凌IGBT-FF300R12KS4)。
全橋連接可在半橋連接的基礎(chǔ)上再增加2個(gè)KA101進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電路圖同圖6。
圖7~圖10為10~60 kW時(shí)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電壓及負(fù)載電流波形，圖7、圖8為KA101在某一鋼鐵企業(yè)中的實(shí)測(cè)波形(半橋)，圖9、圖10為KA101在某礦山企業(yè)的實(shí)測(cè)波形(全橋)?？梢钥闯鲭妷骸㈦娏鞔笾露急３址聪辔?，系統(tǒng)可得到最大的功率輸出，且電流波形近似為規(guī)則的正弦波。由于切換頻率己經(jīng)很接近諧振頻率，開關(guān)器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)諧振開關(guān)狀態(tài)，即IGBT的開通發(fā)生在零電壓狀態(tài)，關(guān)斷發(fā)生在零電流狀態(tài)。在這種情況下，可以看出TX-KA101單管驅(qū)動(dòng)芯片能很好地驅(qū)動(dòng)IGBT，且發(fā)熱量小，在過流時(shí)也能很好地保護(hù)IGBT不被損壞。
本文設(shè)計(jì)出一種適合感應(yīng)加熱電源的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，其核心芯片TX-KA101具有輸出20 A的峰值電流和最大輸出電荷20 ?滋C的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能夠?qū)Υ蠊β蔍GBT模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。它具備三段式過流保護(hù)功能，滿足感應(yīng)加熱電源對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)要求。同時(shí)它具有延遲時(shí)間小、工作頻率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作效率高、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)，其IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間可分別控制，驅(qū)動(dòng)效果顯著，可以經(jīng)受工業(yè)環(huán)境中嚴(yán)格的考驗(yàn)，用戶可根據(jù)自身要求調(diào)節(jié)保護(hù)閾值、盲區(qū)、關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)，外圍電路簡(jiǎn)單易用，使產(chǎn)品的適用性得到極大提高。
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