《電子技術(shù)應(yīng)用》
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IGBT-IPM智能模塊的電路設(shè)計(jì)及其在SVG裝置中的應(yīng)用
摘要: 介紹了IGBT-IPM智能模塊的基本情況和功能特點(diǎn),并對(duì)該智能功率模塊的相關(guān)電路設(shè)計(jì)方法和需要注意的問題進(jìn)行了深入地分析,最后結(jié)合SVG裝置,詳細(xì)說明了該模塊的應(yīng)用,并給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。
Abstract:
Key words :

  1 引言

  電力系統(tǒng)中大功率電力電子裝置的開關(guān)元件主要是晶閘管和GTO。但是,隨著近年來雙極功率晶體管及功率的問世以及生產(chǎn)技術(shù)的成熟,這些開關(guān)元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和GTO,并朝著節(jié)能、輕便、小型化的方向迅速發(fā)展。IGBT-IPM?Intelligent Power Module)智能模塊正是其中的代表之一,它將IGBT單元、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等結(jié)合在一個(gè)模塊之中,利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性?同時(shí)可簡化設(shè)計(jì)的難度?縮小裝置的體積。

 ?。病。桑牵拢灾悄苣K的主要特點(diǎn)

  與過去IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)電路的組合電路相比,IGBT-IPM內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路且保護(hù)功能齊全,因而可極大地提高應(yīng)用系統(tǒng)整機(jī)的可靠性。本文將要介紹的是富士電機(jī)最新推出的R系列IPM智能功率模塊7MBP100RA-120的主要特點(diǎn)和使用情況。它除了具有體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)以外,還具有以下主要功能:

  ●內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路。該模塊同時(shí)具有軟開關(guān)特性,可控制IGBT開關(guān)時(shí)的dV/dt和浪涌電壓;用單電源驅(qū)動(dòng)時(shí),無需反向偏壓電源;并可防止誤導(dǎo)通。關(guān)斷時(shí),IGBT柵極低阻抗接地可防止噪音等引起VGE上升而誤導(dǎo)通;模塊中的每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路都設(shè)計(jì)了最佳的驅(qū)動(dòng)條件。

  ●內(nèi)含各種保護(hù)電路。每個(gè)IGBT都具有過流保護(hù)(OC)、負(fù)載短路保護(hù)(SC)、控制電源欠壓保護(hù)(UV)和過熱保護(hù)(OH)等功能。

  ●內(nèi)含報(bào)警輸出功能。當(dāng)出現(xiàn)上述保護(hù)動(dòng)作時(shí),可向控制IPM的微機(jī)系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)。

  ●包含有制動(dòng)電路。內(nèi)含制動(dòng)單元的IPM模塊,用此單元可以抑制PN端子間的電壓升高。

  圖1為該IGBT-IPM智能模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,圖中的前置驅(qū)動(dòng)部分包括驅(qū)動(dòng)放大、短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓閉鎖、管心過熱保護(hù)等功能電路。圖中,各個(gè)引腳和端子的標(biāo)號(hào)列于表1。

  表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標(biāo)號(hào)

 

端子標(biāo)號(hào)

內(nèi)     容

P,N 經(jīng)過整流變換平滑濾波后的主電源Vd的輸入端子。P:+端,N:-端
B 制動(dòng)輸出端子:再生制動(dòng)電阻電流的輸出端子。不用時(shí),建議接到P或N上
U,V,W 模塊的3相輸出端子
(1)GND U,(3)Vcc U U相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc U:+端;GNDU:-端
(4)GND V,(6)Vcc V V相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc V:+端;GNDV:-端
(7)GND W,(9)Vcc W W相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc W:+端;GNDW:-端
(10)GND,(11)Vcc 下臂公用控制電源Vcc輸入。Vcc:+端;GND:-端
(2)U,(5)V,(8)W 下臂U,V,W相控制信號(hào)輸入
(13)X,(14)Y,(15)Z 下臂X,Y,Z相控制信號(hào)輸入
(12)DB,(16)ALM DB為下臂相控制信號(hào)輸入,ALM為保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)的報(bào)警信號(hào)輸出

  1 引言

  電力系統(tǒng)中大功率電力電子裝置的開關(guān)元件主要是晶閘管和GTO。但是,隨著近年來雙極功率晶體管及功率的問世以及生產(chǎn)技術(shù)的成熟,這些開關(guān)元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和GTO,并朝著節(jié)能、輕便、小型化的方向迅速發(fā)展。IGBT-IPM?Intelligent Power Module)智能模塊正是其中的代表之一,它將IGBT單元、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等結(jié)合在一個(gè)模塊之中,利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性?同時(shí)可簡化設(shè)計(jì)的難度?縮小裝置的體積。

 ?。病。桑牵拢灾悄苣K的主要特點(diǎn)

  與過去IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)電路的組合電路相比,IGBT-IPM內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路且保護(hù)功能齊全,因而可極大地提高應(yīng)用系統(tǒng)整機(jī)的可靠性。本文將要介紹的是富士電機(jī)最新推出的R系列IPM智能功率模塊7MBP100RA-120的主要特點(diǎn)和使用情況。它除了具有體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)以外,還具有以下主要功能:

  ●內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路。該模塊同時(shí)具有軟開關(guān)特性,可控制IGBT開關(guān)時(shí)的dV/dt和浪涌電壓;用單電源驅(qū)動(dòng)時(shí),無需反向偏壓電源;并可防止誤導(dǎo)通。關(guān)斷時(shí),IGBT柵極低阻抗接地可防止噪音等引起VGE上升而誤導(dǎo)通;模塊中的每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路都設(shè)計(jì)了最佳的驅(qū)動(dòng)條件。

  ●內(nèi)含各種保護(hù)電路。每個(gè)IGBT都具有過流保護(hù)(OC)、負(fù)載短路保護(hù)(SC)、控制電源欠壓保護(hù)(UV)和過熱保護(hù)(OH)等功能。

  ●內(nèi)含報(bào)警輸出功能。當(dāng)出現(xiàn)上述保護(hù)動(dòng)作時(shí),可向控制IPM的微機(jī)系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)。

  ●包含有制動(dòng)電路。內(nèi)含制動(dòng)單元的IPM模塊,用此單元可以抑制PN端子間的電壓升高。

  圖1為該IGBT-IPM智能模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,圖中的前置驅(qū)動(dòng)部分包括驅(qū)動(dòng)放大、短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓閉鎖、管心過熱保護(hù)等功能電路。圖中,各個(gè)引腳和端子的標(biāo)號(hào)列于表1。

  表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標(biāo)號(hào)

 

端子標(biāo)號(hào)

內(nèi)     容

P,N 經(jīng)過整流變換平滑濾波后的主電源Vd的輸入端子。P:+端,N:-端
B 制動(dòng)輸出端子:再生制動(dòng)電阻電流的輸出端子。不用時(shí),建議接到P或N上
U,V,W 模塊的3相輸出端子
(1)GND U,(3)Vcc U U相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc U:+端;GNDU:-端
(4)GND V,(6)Vcc V V相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc V:+端;GNDV:-端
(7)GND W,(9)Vcc W W相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc W:+端;GNDW:-端
(10)GND,(11)Vcc 下臂公用控制電源Vcc輸入。Vcc:+端;GND:-端
(2)U,(5)V,(8)W 下臂U,V,W相控制信號(hào)輸入
(13)X,(14)Y,(15)Z 下臂X,Y,Z相控制信號(hào)輸入
(12)DB,(16)ALM DB為下臂相控制信號(hào)輸入,ALM為保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)的報(bào)警信號(hào)輸出

  

  3 IGBT智能模塊電路設(shè)計(jì)

 ?。桑牵拢灾悄苣K的電路設(shè)計(jì)主要分為主電源部分、光耦外圍控制部分、緩沖電路部分及散熱部分。下面分別對(duì)這四部分的設(shè)計(jì)方法和需要注意的問題進(jìn)行說明。

  3.1 主電源電路

  富士的IGBT-IPM模塊有很多不同的系列,每一系列的主電源電壓范圍各有不同,在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮其應(yīng)用場合的電壓范圍。600V系列主電源電壓和制動(dòng)動(dòng)作電壓都應(yīng)該在400V以下,1200V系列則要在800V以下。開關(guān)時(shí)的最大浪涌電壓:600V系列應(yīng)在500V以下,1200V系列應(yīng)該在1000V以下,根據(jù)上述各值的范圍,使用時(shí)應(yīng)使浪涌電壓限定在規(guī)定的值內(nèi),且應(yīng)在最靠近P、N端子處安裝緩沖器(如果一個(gè)整流電路上接有多個(gè)IGBT模塊,還需要在P、N主端子間加浪涌吸收器)。雖然在模塊內(nèi)部已對(duì)外部的電壓噪聲采取了相應(yīng)的措施,但是由于噪聲的種類和強(qiáng)度不同,加之也不可能完全避免誤動(dòng)作或損壞等情況,因此需要對(duì)交流進(jìn)線加濾波器,并絕緣接地,同時(shí)應(yīng)在每相的輸入信號(hào)與地(GND)間并聯(lián)1000pF的吸收電容。

 ?。常?光耦外圍控制部分

  與主電源電路不同,外圍控制電路主要針對(duì)的是單片機(jī)控制系統(tǒng)的弱電控制部分。由于模塊要直接和配電系統(tǒng)連接,因此,必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開來,以保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí),IGBT模塊的工作狀況很大程度上取決于正確、有效、及時(shí)的控制信號(hào)。所以,設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的光耦控制電路也是模塊正常工作的關(guān)鍵之一。根據(jù)IGBT的驅(qū)動(dòng)以及逆變電路的要求?1?,模塊內(nèi)部的IGBT控制電源必須是上橋臂3組,下橋臂1組,總計(jì)4組獨(dú)立的15V直流電源。圖2是一種推薦的光耦驅(qū)動(dòng)電路。

  圖2中給出了幾種典型光耦驅(qū)動(dòng)電路,其中三極管與光耦并聯(lián)型電路對(duì)光耦特別有利。下面是控制輸入的光耦規(guī)格要求:

  ●CMH=CML>15kV/μs或10kV/μs

  ●TPHL=TPLH<0.8ms

  ●CTR>15%

  推薦的光耦有:

 ?。龋茫校蹋矗担埃担龋茫校蹋矗担埃?/p>

 ?。裕蹋校罚担梗ǎ桑牵停裕蹋校罚担档?。

  一般情況下,光耦要符合UL、VDE等安全認(rèn)證。同時(shí)最好使光耦和IGBT控制端子間的布線盡量短。由于初級(jí)和次級(jí)間常加有大的dv/dt,因此,初、次級(jí)布線不要太靠近以減小其間的耦合電容。在使用15V的直流電源組件時(shí),建議電源輸出側(cè)的GND端子不要互聯(lián),并盡量減少各電源與地間的雜散電容,同時(shí)還應(yīng)當(dāng)確保足夠大的絕緣距離(大于2mm)。光耦輸入用的10μF及0.1μF濾波電容主要是保持控制電壓平穩(wěn)和修正線路阻抗的穩(wěn)定,其它地方的濾波電容也很必要。另外,控制信號(hào)輸入端與Vcc端應(yīng)接20kΩ的上拉電阻,在不使用制動(dòng)單元時(shí),也應(yīng)該在DB輸入端與Vcc端接20kΩ的上拉電阻,否則,dv/dt過大可能會(huì)引起誤動(dòng)作。圖3為控制信號(hào)的輸入電路。其它三組上橋臂控制信號(hào)輸入電路與圖3相同,但3組15V直流電源應(yīng)分別供電。而下橋臂的4組,則共用一個(gè)15V直流電源。

  3.3 緩沖電路

  緩沖電路(阻容吸收電路)主要用于抑制模塊內(nèi)部的IGBT單元的過電壓和dv/dt或者過電流和di/dt,同時(shí)減?。桑牵拢缘拈_關(guān)損耗。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率、體積都較大,所以在IGBT模塊內(nèi)部并沒有專門集成該部分電路,因此,在實(shí)際的系統(tǒng)之中一定要有緩沖電路,通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲(chǔ)存起來,電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。如果沒有緩沖電路,器件在開通時(shí)電流會(huì)迅速上升,di/dt也很大,關(guān)斷時(shí),dv/dt很大,并會(huì)出現(xiàn)很高的過電壓,極易造成IGBT器件的損壞。因此,緩沖電路不僅在IGBT模塊中需要,在SVG系統(tǒng)的整流電路中也同樣需要。圖4給出了一個(gè)典型的緩沖電路,有關(guān)阻值與電容大小的設(shè)計(jì)可根據(jù)具體系統(tǒng)來設(shè)定不同的參數(shù)。

  4 IGBT智能模塊在SVG裝置的應(yīng)用

  靜止無功發(fā)生器SVG[3][4][5](Static Var Generator)是靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS—Flexible AC Transmis-sion System)技術(shù)中的一個(gè)重要內(nèi)容,它的主要功能是在系統(tǒng)中起到動(dòng)態(tài)無功發(fā)生、無功補(bǔ)償、電壓支撐、改善系統(tǒng)穩(wěn)定的作用。目前,改善電壓質(zhì)量的方法是用傳統(tǒng)的SVC(Static Var Compensator)靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置來減小電壓波動(dòng)及電壓不對(duì)稱,而用機(jī)械投切電容器或電抗器消除電壓不平衡,用濾波器消除諧波。但是,這些措施的實(shí)現(xiàn)及控制都不太靈活,加之設(shè)備價(jià)格比較昂貴、維修困難,因而在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中效果并不是很好。FACTS技術(shù)中的SVG裝置以其靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能克服了這些不足。SVG裝置的核心部分是逆變電路,它將整流后的直流電壓進(jìn)行逆變以產(chǎn)生與系統(tǒng)相應(yīng)的交流電壓,從而產(chǎn)生所需的交流無功功率。利用IGBT智能模塊后,逆變電路無論是在體積、性能、穩(wěn)定性還是控制方式上都得到了極大地簡化。

  該系統(tǒng)共分為3個(gè)主要部分:第一部分是由IG-BT模塊構(gòu)成的逆變電路,第二部分是由電力二極管構(gòu)成的全波整流電路,第三部分是由微機(jī)構(gòu)成的檢測控制系統(tǒng)。整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊6RI100G-160,該模塊的主要作用是將三相線路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵觯瑥亩S持直流電容兩端的電壓穩(wěn)定,同時(shí)也為逆變電路提供一個(gè)直流電壓。

  微機(jī)控制系統(tǒng)是由以ADMC401高速數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心的DSP控制系統(tǒng)組成,它具有極高的處理速度和專門的6路PWM波發(fā)生控制引腳,從圖5可以看出,DSP控制系統(tǒng)除了完成向IGBT發(fā)出控制信號(hào)以外,還可完成三相電流和電壓的檢測、人機(jī)交換等功能。電流檢測可利用KT100-P型電流傳感器來完成,電壓檢測則利用CHV-50P電壓傳感器來完成。鍵盤管理部分選用82C79接口芯片來管理16鍵的鍵盤輸入。輸出顯示部分則選用以SED1520為驅(qū)動(dòng)芯片的MGLS-12032A液晶顯示模塊(LCD)[3]。該模塊的顯示屏幕一次最多可顯示14個(gè)16×16 的點(diǎn)陣漢字,圖中只畫出了相應(yīng)的方框圖。上述功能均可通過對(duì)ADMC401數(shù)字信號(hào)處理芯片的軟件編程來實(shí)現(xiàn)。其程序流程圖見圖6所示。

  值得注意的是:本SVG裝置中采用的是單橋路控制電路,所以只用到了一個(gè)IGBT智能模塊,它一共有6個(gè)控制點(diǎn)。如果采用多重化結(jié)構(gòu)并使用多個(gè)IGBT模塊相串聯(lián)或并聯(lián)工作,那么將會(huì)得到更多的控制點(diǎn),當(dāng)然,輸出的波形、容量、電壓都將會(huì)更好。實(shí)際上,在SVG系統(tǒng)中,除了IGBT逆變模塊以外,還有很多其它的重要組件,因此,要想讓SVG系統(tǒng)中的IGBT智能模塊正常、高效、安全地工作,還需要裝置其余各部件都協(xié)調(diào)運(yùn)作,才能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。

 ?。怠〗Y(jié)論

 ?。桑牵拢裕桑校湍K的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,從電機(jī)的調(diào)速、驅(qū)動(dòng)裝置到不停電電源裝置、SVG裝置等,可以說凡是涉及到大功率開關(guān)器件、電力變換等場合,只要容量允許,都可以應(yīng)用它。因此,了解和熟悉IGBT-IPM智能模塊的接口電路,有利于加快裝置的開發(fā)研制進(jìn)程,提高實(shí)際應(yīng)用裝置的性能,這也就是本文介紹相關(guān)實(shí)用電路和注意事項(xiàng)的主旨??傊脩魬?yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際需要來仔細(xì)、靈活的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

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