有源電力濾波器

ANAPF有源電力濾波器

1、ANAPF產(chan) 品介紹

2、外觀尺寸

3、技術參數

4、接線示意

5、諧波電流的估算

      絕緣柵場效應晶體(ti) 管(IGBT)作為(wei) 一種複合型器件,集成了mosFET的電壓驅動和高開關(guan) 頻率及功率管低損耗、大功率的特點,在電機控製、開關(guan) 電源、變流裝置及許多要求快速、低損耗的領域中有著廣泛的應用。本文對應用於(yu) 有源電力濾波器的IGBT的特性及其專(zhuan) 有EXB84l型驅動器的設計進行討論,並提出一種具有完善保護功能的驅動電路。

　　有源電力濾波器設計中應用4個(ge) IGBT作為(wei) 開關(guan) ,並用4個(ge) EXB84l組成驅動電路,其原理如圖l所示。在實驗中,根據補償(chang) 電流與(yu) 指令電流的關(guan) 係,用數字信號處理器(DSP)控製PWM引腳的高低電平,並由驅動電路控製IGBT的通斷。驅動電路同時對過流故障進行監測,由DSP采取控製信號、停機等處理。

圖1 有源電力濾波器的IGBT驅動電路原理

1 驅動電路的設計

1.1 驅動電路電源

　　驅動電路需要4路相互隔離的直流電源為(wei) 4路IGBT驅動電路供電,用220V/22V變壓器對4路交流電源分別整流,用電容器和78L24型電壓調整器穩壓後輸出4路24V直流電壓,如圖2所示。

圖2 IGBT驅動電路的電源設計

1.2 柵極電壓

　　IGBT通常采用柵極電壓驅動,它對柵極驅動電路有著特殊的要求。柵極驅動電壓脈衝(chong) 的上升率和下降率要足夠大,導通時,前沿很陡的柵極電壓UGE可以使IGBT快速導通,並減小導通損耗,關(guan) 斷時,其柵極驅動電路要給IGBT提供一個(ge) 下降很陡的關(guan) 斷電壓,並在柵極和發射極之間施加一個(ge) 適當的反向負偏壓,以便使IGBT快速關(guan) 斷,並減小關(guan) 斷損耗。IGBT導通後,柵極的驅動電壓和電流要有足夠的寬度,以保證IGBT在瞬時過載時未退出飽和區受到損壞。柵極驅動電壓值為(wei) 15 V±1.5 V,這個(ge) 電壓值使IGBT*飽和導通,並使通態損耗減至小。施加關(guan) 斷負偏壓可以抑製C-E間出現du/dt時IGBT的誤導通,也可以減少關(guan) 斷損耗。

1.3 門極電阻R1

　　門極電阻R1的選取對通態電壓、開關(guan) 時間、開關(guan) 損耗及承受短路的能力都有不同程度的影響。當門極電阻增大時,IGBT的開通和關(guan) 斷時間增加,從(cong) 而使導通和關(guan) 斷損耗增加。當門極電阻減小時,則會(hui) 導致di/dt增加,從(cong) 而引起IGBT的誤導通。所以應根據IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關(guan) 頻率的不同選擇R1的阻值。

　　Rl的值可以用下式計算：

　　IC為(wei) IGBT的集電極電流。如圖3所示,一般R1取十幾歐姆到幾十歐姆,R2為(wei) 30 Ω。由於(yu) IGBT是壓控器件,當集-射極間加高壓時,很容易受外界幹擾,而使柵-射極間電壓超過一定值,引起器件誤導通,為(wei) 了防止這種現象的發生,在柵-射極間並聯一電阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍,而且應將它並聯在柵-射極近處。電路中的電容器Cl和C2用來抑製因電源接線阻抗引起的供電電壓變化,而不是用於(yu) 電源濾波。

1.4 EXB841驅動環節

　　筆者在實驗中采用的是EXB841型IGBT驅動模塊,其高運行頻率為(wei) 40 kHz,輸入信號經內(nei) 部光耦隔離,光隔驅動電流為(wei) 10 mA,大延時約為(wei) 1 μs。工作溫度範圍為(wei) -10℃~+85℃,供電電壓為(wei) +20 V～+25 V。筆者對EXB841功能進行了擴展,圖3為(wei) 驅動環節電路。

圖3 有源電力濾波器的IGBT驅動電路圖

　　EXB841的6引腳連接的二極管可檢測IGBT的飽和壓降,用來完成過流保護功能,4引腳的過流保護信號延時10μs輸出。當IGBT有過流時,若UCE大於(yu) 7.5V,內(nei) 部過流保護電路開始動作,軟關(guan) 斷IG-BT。通常在IGBT通過額定電流時UCE為(wei) 3.5 V,當UCE=7.5 V時,IGBT有過流,其值約為(wei) 額定電流的3~5倍,但是由於(yu) 沒有達到保護的閾值,保護電路不起作用。如果長時間工作在這種狀態,則會(hui) 導致IGBT損壞。為(wei) 了可靠地保護IGBT,應該降低過流保護閾值,可以在D1與(yu) IGBT的集電極間反串一個(ge) 穩壓管,或多串幾個(ge) 與(yu) D1同規格的快速恢複二極管。如圖3通過反串一個(ge) IN4728型3.3 V穩壓管使保護閾值降為(wei) 4.2V。當檢測到IGBT過流後,5引腳變為(wei) 低電平,TPL521型光耦輸出低電平,通過與(yu) 門控製信號輸入,同時使4輸入與(yu) 非門輸出低電平,觸發功率驅動保護中斷,完成相應的保護處理。

1.5 控製部分與(yu) 驅動部分的隔離

　　控製電路為(wei) 弱電部分,極易受到幹擾;驅動電路直接與(yu) 外電路連接,是一個(ge) 較強的幹擾源;為(wei) 了實現整個(ge) 設備的電磁兼容,控製電路部分必須與(yu) 驅動部分隔離。為(wei) 了避免公共電源對控製電路產(chan) 生幹擾,應對控製電路及驅動電路分別供電,EXB84l的電源電壓為(wei) +20 V,一般控製電路的供電電壓為(wei) 5 V,因此,可以利用圖4所示的DC-DC微功率模塊進行電源隔離,采用A2405D型微功率模塊實現電源的隔離。

2 IGBT及驅動電路的保護

2.1 IGBT的過電壓保護

　　IGBT集-射極之間的瞬時過壓會(hui) 對IGBT造成損壞,筆者采用箝位式吸收電路對瞬時過電壓進行抑製。當IGBT導通時,由於(yu) 二極管的作用,電容器的電荷不會(hui) 被放掉,電容器電壓仍為(wei) 電源電壓。IGBT關(guan) 斷時,負載電流仍流過IGBT,直到IGBT集-射極之間電壓達到電源電壓,續流二極管導通。應用該電路,可以使雜散電感中的能量通過二極管轉儲(chu) 到吸收電容器中,而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上,這樣就可以抑製IGBT集電極的尖峰電壓。吸收電容器的容值可以按公式(2)選取：

　　式中,L是引線電感;i是IGBT關(guan) 斷時的電流;△U是吸收電容器上的電壓過衝(chong) 。

　　當吸收回路中的電容器電壓高於(yu) 直流側(ce) 電容器上的電壓時,通過電阻器向直流側(ce) 電容器回送能量,一直到與(yu) 直流側(ce) 電容器的電壓相等。當IGBT關(guan) 斷時,線路電感在集電極和發射極二端產(chan) 生很高的尖峰電壓,加上箝位式吸收電路以後,UCE被箝位在電容器電壓上,當UCE高於(yu) 電容器電壓時,線路電感的能量被轉移到吸收電容器上,當尖峰電壓過去以後,吸收電容高於(yu) 主電容的那部分電壓會(hui) 由於(yu) 能量回進而達到與(yu) 主電容相等。這樣就抑製了集-射極間的尖峰電壓。吸收電容越大,吸收效果越好。由於(yu) 吸收電容器上過衝(chong) 的能量大部分被送回到直流側(ce) 電容,所以減小了電阻器的功耗。

2.2 消除IGBT集-柵極之間的du/dt

　　圖5所示為(wei) EXB841與(yu) IGBT柵-射極之間的連接電路原理圖。當驅動電路中的V4導通時,IGBT處於(yu) 正常導通狀態,當V5導通時,IGBT柵-射極之間通過穩壓管VZ2提供一個(ge) -5V電壓加在其兩(liang) 端,使IGBT關(guan) 斷,此時V5處於(yu) 臨(lin) 界導通狀態,穩壓管VZ2處於(yu) 反向偏置狀態。但由於(yu) 集-柵極之間分布電容的影響,集-柵極之間的du/dt增大時,其通過分布電容形成的電流經過,所以,要克服集-柵極之間的du/dt,確保穩壓管不過壓,避免IGBT誤導通。克服du/dt的方法有二種：一是驅動電路輸出與(yu) IGBT柵-射極之間的連線采用雙絞屏蔽電纜,屏蔽層接地,二是采用快速吸收電路吸收過電壓。

2.3 EXB841的過流保護功能擴展

　　EXB841自身具有過流保護功能,其保護原理是利用IGBT的集電極通態飽和壓降與(yu) 集電極電流呈近似線性關(guan) 係。當IGBT工作在正常狀態時,EXB841的6腳電位箝製在8 V,內(nei) 部保護不動作,當IGBT因承受過流而退出飽和狀態時,IGBT集-射極間的電壓上升很多,與(yu) EXB84l的6引腳相連的快速二極管截止,EXB841的6引腳被懸空,內(nei) 部保護動作,輸出驅動電壓慢慢下降,實現IGBT的軟關(guan) 斷。

　　在實際應用中,僅(jin) 靠EXB841的6引腳檢測IG-BT集電極電壓來實現過流保護並不足以有效地保護IGBT,因此有必要在主電路中加接霍爾電流傳(chuan) 感器來檢測電路中的過流,如圖6所示。過流發生後,檢測電路檢測到電流,延時8μs後信號還存在的話。驅動信號以關(guan) 斷IGBT。在圖中,霍爾電流傳(chuan) 感器如果在主電路中檢測到過流信號,其中的PNP三極管將導通,同時,NPN三極管被截止,EXB841的6腳被懸空;當沒有過流信號時,PNP三極管不導通,NPN三極管導通,此時電路等效於(yu) 擴展前的電路。

3 結束語

　　本設計應用以上電路對IGBT進行驅動和保護。此驅動電路是在典型驅動電路的基礎上進行改進和完善的,並且自行設計了隔離部分和過電流保護擴展部分。此驅動電路相對簡單、實用,對被驅動的IGBT有完善的保護能力,輸出阻抗低,具有較強的抗幹擾性能。

　　應用這種IGBT模塊的有源濾波器的樣機通過試驗,證明硬件能夠協調配合,控製效果穩定、精確,並且已經批量製板。