技术园地
新闻动态  |  产品介绍  |  技术园地  |  常见问题  |  关于我们
首页 > 技术园地 >
 
绝缘栅器件驱动技术现状
新型驱动器原理
Buck电源中绝缘栅场效应管的驱动方法
KA系列驱动器替代M579XX和EXB841的方法
IGBT驱动器短路保护功能的测试
IGBT驱动器正常输出波形的测试
全桥电路几只下管共用一个辅助电源
驱动器输入信号电平的转换
驱动器中电阻Re的作用
   
   

 

 

新型IGBT驱动器测试分析及其在同步发电机
开关式励磁系统中的应用

周增堂 1 ,胡红彬 2 ,李明乾 3 ,石耀宇 4

(1.安康市水利水电土木建筑勘测设计院,陕西安康 725000 ; 2.西安理工大学电力工程系,西安 710048 ; 3.陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局,陕西咸阳 712000 ; 4.西北水电勘测设计院,西安 710065)

摘要: 介绍了 IGBT 驱动的要求,列举了目前广泛使用的 IGBT 驱动器的一些不足,提出了测试 IGBT 驱动器性能的几种方法,并对新型 IGBT 驱动 TX-KA101 进行了测试。测试结果表明, TX-KA101 输出驱动电压合理,具有 IGBT 过流三段式保护,慢关断时间和过压保护阀值可调。最后将 TX-KA101 应用到同步发电机开关式励磁系统中,起励和 10% 扰动试脸表明 TX-KA101 满足该系统 IGBT 驱动的要求。

关键词: IGBT 驱动 ;TX-KA101; 三段式过流保护 ; 开关式励磁

中图分类号: TM761 文献标识码: A

1 引言

IGBT 具有电压型驱动、驱动功率小、开关速度高、饱和压降低和可耐高电压、大电流等优点,是较理想的大功率开关器件。为保证 IGBT 可靠地工作和保护 IGBT 不被损坏, IGBT 的驱动和保护电路十分重要。

2 IGBT 驱动

2.1 IGBT 驱动及保护基本要求

IGBT 的驱动及有效保护主要有两个方面,即正常工作状态下的驱动和故障状态下的保护。

( 1 )正常工作状态下,要保证 IGBT 能可靠开通和关断,并且开通和关断速度能达到电路要求。一般要求开通正偏压为 15 V ± 10% ,关断负电压为 – 2~– 10 V 。在高压大电流情况下,由于干扰而可能使得截止的 IGBT 误导通,推荐高压大电流电路中的 IGBT 关断负电压为 – 8 V– 12 V ;

( 2 )当 IGBT 出现过电流故障时,很可能其导致偏离安全工作区,造成 IGBT 的损坏,这时要求保护起到切实作用。 IGBT 只能承受很短时间的短路电流,其能承受短路电流的时间随饱着和压降的增加而延长。当 IGBT 出现过流故障时,如果立即将其关断,将产生很高的关断电压,所以比较理想的短路保护方案是所谓的“三段式保护”:出现过电流时立即降低栅压 ( 或增设一个小的死区时间 ) ,使过电流值不能达到最大短路峰值,这样可以避免 IGBT 出现锁定损坏。随着栅极电压降低, IGBT 进人放大区,其饱和压降增加,在短路承受时间延长的这段时间内,判断是否是真故障过电流。如果是瞬时过电流,可在过电流结束后立刻将栅压恢复到正常值;如果真过电流,可在延长时间的末端将栅极电压慢降到零或一个较小的负电压,使得过电流被封锁。从以上可以看出,“三段式保护”的优点是可以区别长期故障和瞬时故障,长期故障时可以将 IGBT 慢关断;瞬时故障时可以在故障消除后让 IGBT 恢复正常工作。

2. 2 目前广泛使用的 IGBT 驱动器存在的问题

目前 IGBT 广泛使用的集成驱动器主要有富士公司的 EXB841 和三菱公司的 M57962 。实践中证明, EXB841 主要有以下缺点:

( 1 )关断负电压为 – 5V 且不可调。如前所述, – 5 V 关断电压往往不能实现快速可靠关断大功率 IGBT 的要求;

( 2 )集射极电压保护阈值过高且不可调。 EXB841 的集射极电压保护阈值在 7. 5 V 左右,远高于 IGBT 器件的饱和压降,实践证明,此值过高;

( 3 )慢关断时间无法调节。 M57962 的主要缺点是它需要两个供电电源,这样不仅增加了驱动电路的复杂性,也增加了驱动电路的不可靠性。而且它适用的最大开关频率为 20 kHz ,在追求高开关频率的场合下开关频率可能达不到要求。

2. 3 新型 IGBT 驱动器— TXKA101

TX–KA101 (以下简称 KA101 )是单管大功率 IGBT 模块驱动器(可驱动 300A/1200V 或 600A/600V IGBT 一只 ) ,其原理框图如图 1 所示。它具有三段式完善的过电流保护功能,可根据需要调节盲区时间、降栅压斜率、延迟判断时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间,使用单一电源,外部元器件少。

图 1 KA101 原理框图

3 驱动应用电路

驱动应用电路如图 2 所示。图中,电容 C 1 设置短路故障发生后,驱动器再次输出驱动信号的间隔时间; C 7 设置保护的盲区时间; C 2 设置初始栅压开始降低到驱动器开始软关断 IGBT 之间的时间; C 3 设置将栅压降低所用的时间。栅压降低后,驱动器的 10 脚输出低电平预警信号,接一个光耦 Photo2 ,将此信号传送给控制器。 C 8 设置慢关断开始时到驱动电压降到 0 的时间。慢关断开始后,驱动器封锁输人 PWM 信号。慢关断开始的时刻,驱动器的 12 脚输出低电平报警信号,经过光藕 Photol ,将信号传送给控制器。 C 4 、 C 5 、 C 6 是滤波电容。 R 5 设定触发过流保护动作电压。

图 2 驱动应用图

4 驱动测试及其输出波形

4. 1 正常输出波形的测试

正常输出波形的测试主要测试驱动器正常情况下的输出幅值,以确定驱动器的驱动性能。测试电路如图 2 所示。设置 DSP 输出频率为 10 kHz ,占空比为 0. 5 的方波信号。此时KA101 的输出如图 3 所示。

图 3 正常时KA101 的输出波形

由图 3 可以看出, KA101 输出正电平约为 13. 8 V ,负电平约为 – 8. 2 V 。这使得 KA101 能良好地实现 IGBT 正常工作时的驱动与关断。

4. 2 短路时候输出波形的测试

4. 2. 1 突然短路时输出波形的测试

突然短路测试主要测试 IGBT 突然短路时,驱动器能否及时正确判断短路和如何处理短路。短路测试电路如图 4 所示。为了保护 IGBT 不致损坏,我们采用大功率直流电源来进行模拟短路试验 . 图中 R 为限流电阻 ,C 为保护电容, Dhv 为快恢复二极管, K 为短路开关。

图 4 短路测试电路

测试时, DSP 输出 10 kHz 方波信号。突然闭合开关 K ,这时当 KA101 输出高电平时, IGBT 发生过流。记录 K 闭合前后 KA101 输出波形如图 5 所示。由图中看出, KA101 的输出为先降栅压到 8. 5 V 左右,再延时判断短路后慢关断,并闭锁源信号。慢关断后 KA101 的输出电压约为 - 4. 8 V 。所以,在 IGBT 发生过电流情况时, KA101 能实现三段式过流保护。

图 5 IGBT 突然短路时 KA101 输出波形

4. 2. 2 长时间短路浏试

长时间短路测试主要测试 IGBT 长时间短路时,驱动器对短路的判断和处理情况。由于 IG-BT 短路可能是短时的,所以一般要求驱动器在判断 IGBT 短路并动作的一段时间后将驱动器源信号的闭锁解除。长时间短路时候测试电路同图 4 。测试时, DSP 输出 l0 kHz 方波信号,闭合开关 K ,记录 KA101 的输出波形如图 6 所示, KA101 本身带有短路动作再启动功能,并且再启动时间可调。从图中可以看出, IGBT 长时间短路时, KA101 能在再启动时间内闭锁控制器的输出,而后重新开放。

4. 2. 3 KA101 在同步发电机开关式励磁中的应用

开关式励磁系统主回路工作原理是 :

由于 IGBT 在开关式励磁中起到控制励磁电压大小的重要作用,并且一旦 IGBT 损坏,励磁系统将不能工作,发电机必须停机,所以,为了发电机的正常运行,必须使 IGBT 能正常开断和不被损坏,就必须选择优良的 IGBT 驱动保护电路。

图 6 IGBT 长时间短路时 KA101 输出波形

本文以 TMS320F2812 DSP 作为励磁控制器,设计开关式励磁系统总体结构如图 7 所示。发电机机端电压和定子电流分别经 PT,CT 后经交流调理电路调理,提供给 DSP 交流采样,可以测得发电机的机端电压 U 和定子电流 I 。励磁电压和励磁电流经过直流调理电路后提供给 DSP 直流采样,获得励磁电压 U L 和励磁电流 I L 。同时,机端电压和定子电流信号分别经 PT,CT 后经方波形成电路后形成同频率方波信号后分别提供给 DSP 的两个捕获单元,用来测发电机频率 f 和相角,再利用已经测得的 U I ,计算得发电机的有功功率 P 和无功功率 Q 。并采用定时器比较中断和周期中断发定周期 PWM 脉冲。

图 7 同步发电机 IGBT 开关式励磁系统总体结构

本文在实验室的一台 3 kW 小型发电机上初步试验了 KA101 在同步发电机开关式励磁系统中的应用。励磁控制器采用 DSP ,控制回路如图 2 所示。在实验室的小型同步发电机作零起升压试验和 10% 上扰、下扰试验,记录波形分别如图 8 ,图 9 和图 10 所示。从图 8 中可以看出,同步发电机起励时间为 1. 2 s ,起励过程中机端电压上升平稳,励磁电流有小幅摆动,起励成功后机端电压和励磁电流平稳。从图 9 和图 10 中可以看出,发电机 10% 上扰、下扰几乎无超调,调节速度快,调节平稳。

图 8 起励波形

图 9 上扰 10% 波形图

图 10 下扰 10% 波形图

5 结论

针对目前广泛使用的 IGBT 驱动器的缺陷,本文测试了新型 IGBT 驱动器—— KA101 。测试结果表明, KA101 能良好地驱动 IGBT ,当 IGBT 发生各类故障时,能可靠地对改变输出,同时给控制器发出 IGBT 故障信号,从而保护 IGBT 不被损坏。在此基础上将其应用到同步发电机开关式励磁系统中,取得了良好的效果。

参考文献 :

[1] 李振民,刘事明,张锐。 .EXB841 模块的改进用法 [J]. 电工技术, 2002 , (7) : 40– 42 。

[2] 张明柱,朱锦洪,梁文林。 IGBT 保护有效性与 EXB840/ 1 的合理应用 [J] 。电工技术, 2000 , (10) : 47– 49 。

[3] 丁祖军,郑建勇,梅军,等。基于 EXB841 驱动电路设计及优化 [J] 。电力自动化设备, 2004 , 24(6) ; 37 – 40 。

[4] 华伟。 IGBT 驱动及短路保护电路 M57959L 研究 [J] 。电力电子技术, 1998 , (1) : 88– 91 。

[5] 朱效如,章贤。 IGBT 开关式励磁应用前景分析 [J] 。水电厂自动化 (20 周年纪念专辑 ) 。 1999 , (10) : 162 – 167 。

 

  Copyright © 2003-2015
北京落木源电子技术有限公司
版权所有
地址:北京市西城区教场口街一号(北京机械工业自动化研究所),6号楼一层
电话:010-51653700,62024388   传真:010-51653700
电子邮件:webmaster@pwrdriver.com   京ICP备05031303号 公安部备案11010200/342