單電源供電的IGBT驅動電路在鐵路輔助電源系統(tǒng)中的應用

作者Email: flyfang2008@sohu.com

摘要：本文通過分析IGBT功率器件的特性、對可靠性驅動的要求以及幾種常用IGBT驅動電路的介紹，給出了單電源供電的IGBT驅動方案。該方案已在25T型車、25G型車35KVA逆變器的驅動電路中得到應用，并取得了很好的效果；同時,此種電路也成功應用于青藏鐵路輔助電源系統(tǒng)的55KVA三相逆變器。隨著IGBT的廣泛使用，這一方案將具有很好的借鑒意義及應用前景。

關鍵詞：IGBT，驅動電路，逆變器，輔助電源

0．引言

由于ＩＧＢＴ是一種電壓控制型功率器件，它所需驅動功率小，控制電路簡單，導通壓降低，且具有較大的安全工作區(qū)和短路承受能力。因此，目前ＩＧＢＴ已在中功率以上的電力電子系統(tǒng)中（如逆變器、變頻器、ＵＰＳ電源）逐漸取代了ＭＯＳＦＥＴ及ＢＪＴ而成為功率開關元件市場中的重要一員。然而?如何有效地驅動并保護ＩＧＢＴ則成為目前電力電子領域中的重要研究課題之一。在鐵路客運系統(tǒng)中，隨著電氣化列車的普及，提高列車舒適度，設計高效的IGBT驅動電路也成為列車輔助電源設計者的重要研究對象。一個具有保護功能的驅動電路不但能在正常工作狀態(tài)下給ＩＧＢＴ提供所需的驅動功率，在異常工作狀態(tài)下能起保護ＩＧＢＴ的作用，而且應當能使電力電子系統(tǒng)中的ＩＧＢＴ有很好的替換特性。因此?高性能的驅動電路是提高電子產(chǎn)品品質和可靠性，從而增強其競爭力的關鍵之一。本文根據(jù)實際的使用經(jīng)驗著重介紹了應用于電氣化列車輔助電源中的一種單電源IGBT的驅動電路。

1．驅動電路的設計和任務

驅動電路就是將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為相應的驅動信號。

開關型功率器件的驅動分為兩種形式：一是電流型驅動,如GTR；二是電壓型驅動，如功率MOSFET、IGBT。無論是哪種驅動電路，在設計時都必須考慮以下兩點：最優(yōu)化驅動特性和自動快速保護。所謂最優(yōu)化特性就是以理想的控制極驅動電流(或電壓、或兩者兼有)去控制功率器件的開關過程，以提高開關速度、減小開關損耗；自動快速保護則是在驅動電路故障狀態(tài)下快速自動地切斷控制極信號，避免功率管遭到損壞，在主回路故障狀態(tài)時能及時自動切斷與主回路的聯(lián)系的能力。本文介紹的為電壓型IGBT驅動電路。

IGBT是將MOSFET的高速易驅動，安全工作區(qū)寬同雙極性器件低飽和壓降結合的產(chǎn)物。它具有以下特點：高的輸入阻抗，使之可采用通用低成本的驅動線路；高速開關特性；導通狀態(tài)的損耗低。在設計驅動電路時，主要考慮以下的參數(shù)：IGBT的額定值；短路電流特性；感性負載的關斷特性；最大柵極發(fā)射極電壓；柵極輸入電容；安全工作區(qū)特性。
2．驅動電路的分類

驅動電路作為逆變電路的一部分，對逆變器和變頻器的三相或單相輸出有著巨大的影響。驅動電路的設計常用的一般有這樣幾種方式：

(1)分立插腳式元件的驅動電路

分立插腳式元件組成的驅動電路在80年代的日本和臺灣變頻器上被廣泛使用，主要包括日本(富士：G2，G5。三肯：SVS，SVF，MF.，春日，三菱Z系列K系列等)臺灣(歐林，普傳，臺安。)等一系列逆變器和變頻器。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn)，這類設計電路復雜，集成化程度低的驅動電路已逐漸被淘汰。

(2)光耦驅動電路
光耦驅動電路是現(xiàn)代逆變器和變頻器設計時被廣泛采用的一種驅動電路，由于線路簡單，可靠性高，開關性能好，被歐美及日本的多家逆變器和變頻器廠商采用。由于驅動光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。驅動光耦選用較多的主要由東芝的TLP系列，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。本設計即為HCPL系列光耦驅動電路。

(3)厚膜驅動電路
厚膜驅動電路是在阻容元件和半導體技術的基礎上發(fā)展起來的一種混合集成電路。它是利用厚膜技術在陶瓷基片上制作模式元件和連接導線，將驅動電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個整體部件。使用驅動厚膜對于設計布線帶來了很大的方便,提高了整機的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時也加強了技術的保密性?，F(xiàn)在的驅動厚膜往往也集成了很多保護電路，檢測電路。應該說驅動厚膜的技術含量也越來越高。

(4)專用集成塊驅動電路
現(xiàn)在還出現(xiàn)了專用的集成塊驅動電路，主要由IR的IR2111，IR2112，IR2113等，其它還有三菱的EXB系列驅動電路。三菱的M57956，M57959等驅動電路。

3．一種基于單電源供電的光耦驅動電路

在我公司為青藏鐵路所做的電源產(chǎn)品中，其中有大功率的逆變器（55KVA），
由電力機車或發(fā)電車為各節(jié)車廂的逆變器提供DC600V輸入，然后由逆變器輸出三相AC380V，為車上的空調和制氧機等設備供電。逆變器驅動電路所使用的光耦為HCPL316。HCPL316是由惠普公司生產(chǎn)的一種IGBT門極驅動光耦合器，其內部集成集電極發(fā)射極電壓欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路。主要有以下一些特性：兼容CMOS/TTL電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；開關速度最大500ns；“軟”IGBT關斷；VCE欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護；寬工作電壓范圍（15～30V）。IGBT用的是西門子公司的BSM300GA120DN2，耐壓等級為1200V，300A單管，共六個IGBT，使用單模塊的目的是為有效散熱；而驅動電源的設計通常作為驅動電路設計的一個重要的環(huán)節(jié)，如國內很多廠家經(jīng)常使用的M57959和M57962芯片，在三相逆變控制中，要設計多路相互隔離的驅動電源，如多路+15V和多路-10V等。同時驅動電源的高要求也是整個產(chǎn)品可靠性的根本保證。而如何設計簡單可靠的驅動電源也就成為設計人員想方設法去解決的問題。在青藏鐵路的輔助電源系統(tǒng)中，就采用了單電源供電的可靠性高的驅動電路，見下圖。

圖1上管IGBT驅動電路

圖1為上管IGBT驅動電路，其中由控制器產(chǎn)生PWM1及RESET信號輸出給光耦，同時光耦產(chǎn)生的IGBT故障信號FAIL_DR給控制器；TL1111芯片把輸入的+15變換成-10V關斷電壓；同時利用二極管D101使的上管三路驅動+15V和其它路相互隔離；圖2為下管IGBT驅動電路，下管的驅動電源無須隔離，從而使得單電源供電成為可能，簡化了驅動電源的設計。對比上管驅動電路和下管驅動電路的區(qū)別，除了上管有二極管下管沒有以外，還有就是+15V的地接在下管的EM_2而上管沒有?？梢钥吹?，當下管的IGBT導通時，+15V的地通過下管的IGBT和上管的EM1相通，此時電解電容C104處于充電狀態(tài)，當下管關斷時，通過C104放電來驅動上管IGBT導通。同時通過HCPL316故障檢測功能在IGBT過壓、過流及短路的情況下很好的保護IGBT。

圖2下管IGBT驅動電路

在運行及試驗中發(fā)現(xiàn)的一些問題及改進措施
此方案已成功應用于25T和25G型電氣化列車逆變器上，性能可靠，運行穩(wěn)定。但是在為青藏鐵路的列車提供電源產(chǎn)品中逆變器在試驗時出現(xiàn)了問題。因為工作溫度范圍要求為-40℃～50℃，在做低溫試驗時（-40℃），逆變器出現(xiàn)帶載(制氧機)波形畸變，電機運行時抖動比較利害，聲音異常。通過電流鉗直觀地發(fā)現(xiàn)三相輸出電流不平衡，用示波器仔細觀察電流和電壓波形發(fā)現(xiàn)波形出現(xiàn)畸變。經(jīng)過分析開始認為可能是驅動電源在低溫下輸出功率下降引起，后使用外接電源板故障依然沒有解決，才發(fā)現(xiàn)并不是驅動電源負載能力不夠或波動引起的。后通過在低溫下測量驅動信號發(fā)現(xiàn)，當?shù)蜏貢r，逆變器上管三路驅動信號如下圖4，而下管三路驅動信號如下圖3。

經(jīng)測量和分析以上驅動波形發(fā)現(xiàn)：在低溫時三路上管IGBT驅動信號不正常，但分析認為這種驅動信號不正常的情況是有驅動電源不正常引起的。在排除驅動電源有問題的情況下，仔細研究以上給出的驅動電路和反復試驗發(fā)現(xiàn)，當下管導通時+15V給C104充電，而當下管關斷時，C104放電驅動上管，但是當溫度很低時（-40℃），電解電容C104容量下降，儲能降低，不能有地的驅動上管導通，所以在低溫運行時驅動信號就會出現(xiàn)如上圖4所示波形，不能有效驅動IGBT導通，從而影響產(chǎn)品的正常運行。后把電解電容C104改為低溫特性比較好的鉭電容后，驅動信號正常，在低溫情況下逆變器也能夠正常運行，從而有力保證了項目的正常進行。

5．結束語

驅動電路設計是逆變電源設計的一個十分重要的環(huán)節(jié)，希望通過以上的設計和試驗經(jīng)驗，能夠為同行在設計同類產(chǎn)品時提供一點借鑒和參考。

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