30kVA逆变电源中IGBT的驱动与保护

    摘要：系统介绍30kVA逆变电源中IGBT的驱动与保护技术。提出IGBT对驱动电路的要求，介绍三菱的IGBT驱动电路M57962L和逆变电源中IGBT的过压、栅极过压、过流、过热保护措施。

    关键词：IGBT驱动  保护

                  Drive and Protection of IGBT at 30kVA Inverter

    Abstract: Drive and protection technigue ofIGBTat30kVA inverter are introduced. Requirement of IGBT to drive circuit, M57962L drive circuit of IGBT and protection measures of over-voltage, grid over-voltage, over-carrent, over-heat in IGBT are detailed.

    Keywords: IGBT, Drive, Protection

    1  引言

    在我们研制的30kVA逆变电源中，最容易损坏的部件是组成逆变桥的IGBT，和其它电力电子器件相比，IGBT虽然具有电流容量大、驱动功率小、开关频率高等优点，但要用好IGBT，使其不受损坏并不容易。IGBT的驱动与保护问题是逆变电源能否可靠工作的基础和关键。本文就30kVA逆变电源装置中IGBT的驱动与保护技术进行叙述。

    2IGBT的驱动

    2.1IGBT对栅极驱动电路的要求

    （1）栅极驱动电压

     驱动电路提供的正偏压＋UGE使IGBT导通。增大正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此正偏压要适当，通常为＋15V。为了保证IGBT在C－E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，采用负偏压还可以减小关断损耗，负偏压取－9V左右为宜。

    （2）栅极串联电阻Rg

    IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻对IGBT的动态特性影响极大，减小Rg使开关时间和开关损耗减小，减小关断时dv/dt噪声带来误导通的可能性，提高IGBT的短路耐量，但会增加续流二极管反向恢复过电压，使EMI也增大。对于1200V/400A的IGBT，Rg取2Ω比较合适。

    （3）驱动电路的电源

    驱动电路的电源应稳定，能提供足够高的正负栅压，电源应有足够的功率，以满足栅极对驱动功率的要求。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立，以减小相互间的干扰，推荐使用带多路输出的开关电源作为驱动电路电源。

    2.2三菱驱动模块M57962L简介

    在我们的逆变电源装置中，使用了日本三菱公司的驱动模块M57962L。M57962L是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动600V/400A和1200V/400A的IGBT，M57962L的原理方框图如图1所示，它有以下几个特点：

    （1）采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合20kHz左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻（约185Ω），可将5V的电压直接加到输入侧；

    （2）如果采用双电源驱动技术，使输出负栅压比较高。电源电压的极限值为＋18V/－15V，一般取＋15V/－10V；

    （3）信号传输延迟时间短，低电平－高电平的传输延迟时间以及高电平－低电平的传输延迟时间都在1.5μs以下；

    （4）具有过流保护功能。M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流，一旦过流，M57962L将对IGBT实施软关断，并输出过流故障信号。

　　M57962L的典型应用实例如图2所示。

    3  IGBT的保护

    IGBT损坏的原因可以归结为以下3个方面：

  过热损坏，它又分为由于集电极电流过大引起的瞬时过热损坏和其它原因引起的持续过热损坏；

  集电极发射极间过压损坏；

  栅极过压损坏。

因此IGBT的保护要从以下4个方面着手：

  集电极发射极间过电压保护；

  栅极过电压保护；

  过流保护；

  过热保护。

    3.1集电极、发射极间过电压保护

    IGBT的集电极发射极间产生过电压的类型有两类，即IGBT关断过电压和续流二极管反向恢复过电压。安装缓冲电路是抑制集电极、发射极间过电压的有效措施。缓冲电路之所以能减小IGBT集电极发射极间的过电压，是因为它给回路电感提供了泄能回路，降低了回路电感上电流的变化率。30kVA逆变电源中所采用的缓冲电路如图3所示。

图3所示电路中采用以下3种器件及电路：

     （1）金属氧化物压敏电阻（Rrl～Rr5）

    金属氧化物压敏电阻是一种良好的电压尖峰抑制器件，它的响应时间为ns级，能抑制宽度很窄的尖峰电压，金属氧化物压敏电阻具有通流容量大（500A～5000A），平均漏电流小（几μA），使用电压范围广（30V～1500V），体积小、可靠性高且价格便宜等特点。但它能抑制的尖峰电压宽度不能过大，否则压敏电阻将会因功耗过大而烧坏。

    （2）并在直流母线上的无感电容。

    （3）由R，C，VD组成的放电阻止型缓冲电路，在放电阻止型缓冲电路中，要选择高频特性好的无感电容器作为缓冲电容，要选择过渡正向电压低，反向恢复时间短，反向恢复特性软的二极管作为缓冲二极管，缓冲二极管的反向耐压及峰值正向电流要与IGBT的额定电压及额定电流相当。

    3.2栅极过电压保护

    IGBT的栅极出现过电压的原因有两个：

    （1）静电聚积在栅极电容上引起过压；

    （2）密勒效应引起的栅极过压，栅极过压保护电路如图4所示。

    3.3过电流保护

    在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，会造成IGBT因过流而损坏。在30kVA逆变电源中，采用集中过电流保护与分散过电流保护相结合的过流保护策略，所谓集中过电流保护，就是通过检测逆变桥输入直流母线上的电流，当该电流值超过设定的阈值时，封锁所有桥臂IGBT的驱动信号；分散过电流保护是通过检测逆变桥各个桥臂上的电流，当该电流超过设定的阈值时，封锁该桥臂IGBT的驱动信号，采取双重过电流保护使装置的可靠性大大提高。

    （1）集中过电流保护

    图5所示为集中过电流保护的原理图

    电流检测点放在直流侧，检测元件采用日本HINODE公司的直测式霍尔效应电流传感器HAP8－200/4，用以检测直流侧电压的瞬时值。HAP8－200/4需要±15V的供电电源，额定电流为±200A，饱和电流在450A以上，额定输出电压为±4V，di/dt响应时间在10μs以下。在正常情况下，集中过电流保护电路的输出OC为高电平，一旦直流母线电流超过设定的阈值，比较器LM311的输出状态将由高电平变为低电平，经过R2，C2的延迟，OC将由高电平变为低电平，这个低电平的信号将使封锁电路动作，封锁逆变桥所有IGBT的驱动信号。R2C2组成的延迟电路是为防止封锁电路误动作而采取的抗干扰措施。

    （2）分散过电流保护

    图6所示为分散过电流保护的原理图。我们知道，当栅极驱动电压不变时，IGBT的饱和压降UCE（sat），将随着集电极电流Ic的增大而增大，通过查阅三菱1200VIGBT的产品手册可知，UCE（sat）与Ic的关系可由如下经验公式表示出来：

    其中Iced为IGBT的额定电流。

    因此通过监测UCE（sat），就可以判断IGBT是否过流。在图6中，M57962L通过快恢复二级管VD1及稳压管VZ来监测UCE（sat），当M57962L输入侧光耦导通后，并且当UAE=UCE（sat）＋UVD1＋UVZ超过阈值UAE*后，将开始软关断，M57962L的输出电压将从正栅压逐渐下降到负栅压。经测试发现，当VEE=10V，VCC=15V时，阈值UAE*=9.5V，并且当VEE不变时，VCC每增加1V，UAE*也将加1V。可以看出，改变稳压管VZ的稳压值可以改变分散过流阈值。在实际装置中，VCC=15V，VEE=10V，VD为ERA34－10，其管压降为0.5V，UVZ=5V，这样分散过流保护的电流阈值为3倍的额定电流。

    3.4过热保护

    IGBT过热的原因可能是驱动波形不好或电流过大或开关频率太高，也可能由于散热状况不良。可以利用温度传感器检测IGBT的散热器温度，当超过允许温度时使主电路停止工作。

    4  结语

    本文介绍IGBT的驱动电路M57962L和逆变电源中IGBT的过压，栅极过压，过流、过热保护措施，所介绍的驱动与保护技术及其实现电路，已成功地应用于我们所研制的30kVA正弦波逆变电源装置中，由于该电源具有良好的驱动和可靠的保护措施，即使在输出直接短路的情况下，仍能保证IGBT不损坏，从而确保电源整机工作的可靠性。