基于IGBT斬波電路的大功率負載研究

1、 基于IGBT斬波電路的大功率負載研究孟繁偉，常鐵原，張 苑（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071000）摘 要：介紹一種用于實際工程的大功率負載，該負載基于IGBT斬波電路。與傳統(tǒng)模擬負載相比，該電路的特點是電流大，功率高。采用C8051F340產(chǎn)生占空比及保持時間可調(diào)的PWM波，用于調(diào)整電流大小。為IGBT設(shè)計了可靠的隔離電路，將CPU部分與IGBT部分隔離。設(shè)計了穩(wěn)定的保護電路，可以避免IGBT燒毀。為IGBT并聯(lián)選擇了合適的均流電阻，控制其導(dǎo)通程度。選擇高頻率IGBT作為開關(guān)器件，使其工作在100KHz左右。利用單片機控制PWM的保持時間，保護IGBT的同時增加了測量的準確性

2、。關(guān)鍵詞：IGBT斬波；大功率；可調(diào)可控【中圖分類號】TN710 【文獻標識碼】BHigh-power IGBT Chopper Circuit in the Application of the Low Voltage Electric Leakage CheckMENG Fan-wei, CHANG Tie-yuan, ZHANG Yuan(Electronic and Information Engineering of Hebei University, Baoding 071000, Hebei, China)Abstract: Introduces a high-power loa

3、d for actual engineering, This load is based on IGBT chopper circuit. Compared with the traditional virtual load, the circuit is characterized by large current, high power. Using C8051F340 produces duty ratio and maintain time adjustable PWM wave that is used to adjust the current value. Designed fo

4、r IGBT, reliable isolation circuit will be isolated from CPU parts with IGBT. The stable protection circuit can avoid IGBT burned. For IGBT parallel choose the appropriate resistance, which can control the conduction level. Choose high-frequency IGBT as switching device to work at about 100 KHz. MCU

5、 controls the retention time of the PWM, which can protect the IGBT while increasing the measurement accuracy.Keywords：PWM chopper；High power；Adjustable and controllable1 引言PWM斬波電路因其功率因數(shù)高、可控性好而廣泛用于電力電子行業(yè)。作為斬波電路的優(yōu)勢開關(guān)器件1，絕緣柵雙極晶體管IGBT綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，具有通流能力強、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動功率小等特點。IGBT是一種電壓控制型電力電子器

6、件，通過控制柵極電壓能穩(wěn)定控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。IGBT的驅(qū)動與保護是其主要研究問題，尤其是大功率條件下，如果IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時間增加，必然造成損耗增大。良好的驅(qū)動電路應(yīng)使其處在較理想的開關(guān)狀態(tài)且禁止誤導(dǎo)通。主要研究IGBT斬波電路在大功率模擬負載中的應(yīng)用，說明驅(qū)動電路和保護電路的設(shè)計思路。2 斬波電路設(shè)計2.1 器件選擇在實際工程中，常需要在市電條件下用大功率負載產(chǎn)生短時間大電流。該電流往往可調(diào)2，以便用于對某些設(shè)備的測試和研究。本模擬負載單路能提供最大50A的電流，功率達14KW并可根據(jù)實際需求多路并聯(lián)。IGBT選擇仙童公司的FGY75N60SMD，該器件集射間耐壓600

7、V，內(nèi)含保護二極管，可防止IGBT導(dǎo)通瞬間的浪涌。TC=25時最大通過電流為150A，TC=100時為75A。由于極間存在納法級電容，而IGBT輸入阻抗無窮大，因此柵極注入一定正電荷使柵極電壓大于導(dǎo)通電壓，IGBT即可導(dǎo)通，且導(dǎo)通程度深，開關(guān)特性好。柵極耐壓值為20V，柵射導(dǎo)通壓降典型值為5V。根據(jù)該管特點及電路設(shè)計要求，選擇IR公司的IR2125作為IGBT驅(qū)動芯片。該芯片采用先進的高壓集成電路和無閂鎖CMOS技術(shù)制作，源電流達1A，匯電流達2A，高側(cè)浮動電源電壓VB達525V，輸出柵極驅(qū)動電壓為1218V。自舉模式時，能工作在幾十赫到幾百千赫的頻率范圍內(nèi)。輸入電流典型值為4.5A，易驅(qū)動。

8、由于內(nèi)部采用了自舉技術(shù)，驅(qū)動芯片可以驅(qū)動工作于高端和低端的N溝道MOSFET或IGBT。具欠壓自鎖功能，可實現(xiàn)自身欠壓保護。輸入邏輯電平兼容2.5V、5V和15V，輸出與輸入同相。多路IGBT并聯(lián)時，需多個IR2125作驅(qū)動器，為彌補單片機輸出的PWM驅(qū)動能力不足的問題，選取高速單通道光耦6N137作第一級驅(qū)動器。其轉(zhuǎn)換速率達10Mbit/s，集電極開路反相輸出，扇出系數(shù)為8，工作電流典型值為5mA，輸出典型值為13mA，延遲時間為75ns。2.2 驅(qū)動功率計算輸入電容Cies、輸出電容Coes和反向電容Cres是影響IGBT驅(qū)動功率的三個重要參數(shù)。IGBT完全開啟，需使Cies和Cres充滿

9、電，Coes完全放電。這些參數(shù)的影響，最終體現(xiàn)在柵極電荷Qg上，因此驅(qū)動電路設(shè)計中最重要的參數(shù)是Qg。單個IGBT所需驅(qū)動功率可據(jù)公式（1）得到。 （1）其中f=100KHz，Qg=248nC，U=15V，則功率P=0.37W。2.3 柵極電阻選擇驅(qū)動芯片與IGBT柵極間串接電阻Rg在驅(qū)動電路3的設(shè)計中十分重要。原因如下：（1）IGBT柵極和射極間存在結(jié)間電容，柵極回路中存在寄生電感，若不串接?xùn)艠O電阻，柵極回路在脈沖的激勵下會產(chǎn)生強烈振蕩，串接電阻可加速衰減。（2）若不串接?xùn)艠O電阻，IGBT導(dǎo)通會產(chǎn)生電壓鉗位，驅(qū)動芯片功耗變大，易燒毀。（3）IGBT的開關(guān)速度受柵極電阻影響，柵極電阻小則開關(guān)速

10、度快，損耗??；反之則速度慢，損耗大。經(jīng)測試，Rg為20時PWM波形好，芯片發(fā)熱量小。（4）柵極電阻的功率由IGBT的柵極驅(qū)動功率決定，功率降在Rg上能夠降低驅(qū)動芯片的功耗。單路IGBT驅(qū)動功率為0.37W，選擇1W電阻即可。2.4 柵極驅(qū)動電流IR2125輸出電流典型值為1A，因此要將柵極電流限定在1A以內(nèi)。柵極電流可據(jù)公式（2）得到。 （2）當柵極電阻Rg=20時，IG=0.75A，IR2125能夠滿足驅(qū)動所需。2.5 欠壓自鎖電路與自舉工作模式IR2125內(nèi)部集成欠壓自鎖電路4，當管腳VB與VS間電壓低于限定值10.4V時，欠壓自鎖電路便將輸出關(guān)斷。當電壓值再次高于限定值后，輸出保持自鎖狀

11、態(tài)，直到輸入狀態(tài)發(fā)生變化輸出才回到正常狀態(tài)。D1為自舉二極管，C6為自舉電容5。電源通過D1向C6充電，C6儲存足夠電荷以保證驅(qū)動能力。為使管腳VB與VS間電壓高于限定值，應(yīng)使開關(guān)頻率大于幾十赫茲，否則C6上的壓降會造成兩管腳間的電位差低于限定值。D1選取快恢復(fù)型二極管FR307，其最大反向電壓1000V，最大平均正向電流3A，最大正向浪涌電流200A，最大反向漏電流10A，最大反向恢復(fù)時間500ns。FR307反向漏電流小，可減少C6對電源的反饋電荷。圖1為其中一路驅(qū)動電路，R1為限流電阻，R2為上拉電阻。圖1 單路驅(qū)動電路2.6 IGBT電路設(shè)計IGBT的一個重要參數(shù)為最大開關(guān)頻率，該參數(shù)

12、由關(guān)斷延遲td(off)確定，據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，最小開關(guān)時間約為關(guān)斷時間的40倍。該管的關(guān)斷延遲典型值為136ns，據(jù)經(jīng)驗值可得最大開關(guān)頻率約為180KHz，因此該器件滿足開關(guān)頻率要求。此外，設(shè)計IGBT電路時還應(yīng)注意以下幾點：（1）柵極耐壓值為20V，柵極和地間對接兩個18V/1W穩(wěn)壓管，使柵極電位限制在18.7V內(nèi)。（2）柵極輸入阻抗為無窮大，充電電荷可長時間存于輸入電容中，易引起誤導(dǎo)通。柵極和地間接一個10K/0.25W電阻，極間電容和電阻便形成回路，將電荷快速釋放。（3）驅(qū)動電路提供100KHz方波，柵極電容快速充放電，在柵極和地間接10F電容保護柵極6。（4）集射間加濾波電容，實驗證明容值

13、為0.033F時濾波效果好，D4和D5起保護和續(xù)流作用。（5）多路直接并聯(lián)時，分流不均現(xiàn)象會導(dǎo)致分流大的管子燒毀，加入功率電阻進行均流7，實驗證明均流電阻壓降為管子門檻電壓的1/5為好。此時電流為50A，門檻電壓為5V，據(jù)歐姆定律得均流電阻RCS為0.02。當某一路電流增大，均流電阻電位增大、柵射間電壓減小、導(dǎo)通程度變小、集射間電流減小，最終各路實現(xiàn)均流。負載電阻選取大功率繞線電阻，實驗證明，1s內(nèi)6/300W的繞線電阻RL即可滿足50A電流狀況，電阻可根據(jù)實際并聯(lián)得到。調(diào)整占空比可改變電壓和電流有效值，計算過程如式（3）（5）所示。 （3） （4） （5）D為PWM波占空比，U0為整流后電壓

14、VL，I0為直流下單路電流，P為直流下單路功率，U為改變占空比后電壓，I為改變占空比后單路電流。據(jù)上述公式，5路IGBT并聯(lián)可提供100750A電流。圖2為其中一路斬波電路，為了保護主板芯片，加入隔離型升壓DC-DC，將斬波電路和其余部分的公共端分開并升壓至+15V。利用三端穩(wěn)壓芯片78L05產(chǎn)生+5V電壓。圖2 單路IGBT斬波電路3 PWM波發(fā)生3.1 發(fā)生器件選擇PWM波跳變沿理想程度是影響IGBT開關(guān)特性的重要因素。采用內(nèi)部集成可編程計數(shù)陣列PCA的單片機C8051F340作為PWM發(fā)生器，PCA提供增強的定時器功能，更加精確，跳變沿更加理想。3.2 原理與算法PCA由一個專用的16位

15、計數(shù)器/定時器和5個16位捕捉/比較模塊組成，有8位、16位兩種脈寬調(diào)制器，為得到較高頻率，選擇8位脈寬調(diào)制器。PWM輸出信號頻率取決于PCA的時基，使用捕捉/比較寄存器PCA0CPLn能改變PWM輸出信號的占空比。當PCA的低字節(jié)PCA0L與PCA0CPLn中的值相等時，輸出置高；當PCA0L中計數(shù)值溢出時，輸出為低。8位脈寬調(diào)制方式產(chǎn)生的PWM頻率由式（6）給出。 （6）f0為PCA時基信號，選擇24MHz時鐘，則PWM頻率為93.75KHz。占空比D是高電平在一個周期內(nèi)所占的時間比，此處由式（7）給出。 （7）PCA0CPHn為初值，據(jù)公式可得占空比調(diào)節(jié)范圍為0.39%100%。程序中設(shè)

16、置占空比為變量，根據(jù)占空比反算出PCA0CPHn并對其賦值。利用定時器中斷控制PWM波保持時間。4 小結(jié)設(shè)計了穩(wěn)定的斬波電路，加入了合理的保護，多路并聯(lián)使用可滿足大功率需求。利用單片機產(chǎn)生占空比和保持時間可調(diào)的PWM波，能夠有效控制回路中電流大小，從而滿足不同設(shè)備的要求。為某些市電設(shè)備的在線測試提供了一個解決思路。參考文獻：1 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.2 劉志剛, 和敬涵. 基于電流型PWM整流器的電子模擬負載系統(tǒng)研究J. 電工技術(shù)學(xué)報. 2004, 19(6): 74-77.3 王永, 沈頌華. 一種簡單的IGBT驅(qū)動和過流保護電路J. 電測與儀表, 2004, 41(4): 25-27.4 喬納森亞當斯. 使用電流感應(yīng)IR212X柵極驅(qū)動ICJ. 電子質(zhì)量, 2002, (5): 63-65.5 楚斌. IR2110功率驅(qū)動集成芯片應(yīng)用J. 電子工程師, 2004, 30(10): 33-35.6 王世杰. IGBT柵極驅(qū)動技術(shù)探討J. 光學(xué)精密工程, 2000, 8(1): 76-78.7 查申森, 鄭建勇, 蘇麟等. 大功率IGBT并聯(lián)運行時均流問題研究J. 電力自動化