IGBT智能模块的驱动控制电路

(电力电子技术)1 , , s 年第 峨期 l, 9 5 . 21 IG B T 智能模块的驱动控制电路 ’ Dr i v in g Ci rc u its fo r IG BT In t e llig e n t P o w e r M o d u le s 浙江大学 章进法 姚凯卫 (杭州 3 1 0 0 2 7 ) 摘共 :针对 IG B T 初能模块 (1 PM )的羞本特性 , 提出了采用光藕 、双高孩脉冲变压器及单高孩脉冲 变压器三种驭动控创电舟 . 研究了 Pw M 信号的快速传物特性 , 并对三种电路进行了对比 ,给出了 实脸结果和有关结论 . A 加加d :肠15 孙p e r p re se n ts thr e e k in ds o f d6 v in g e irc u its for IG BT in te llig e爪 p o w e r m od u les . in 汕ich p卜饥o-cou p ler , do u b le hig 卜fr灼u e n c y p u lae tra n : fo r m e r : a nd s in gl e 卜ig h一fre q ue n e y p u ls e tra 二- for m er . re em p l o y e d r es p 吧c tiv e ly . 众鱿 u ss io ns a n d e x pe rim e n to h ave be e n ca r ried o u t on the fa s t t比ns- m i”io n fea t ure s of Pw M s ig n a l: . C石m 种“son s to t he p r o p o , ed th re e dr iv in g e ire u it s ha ve be e n ma de u o de r t玩 e x Pe r ime n ta lre su lts a翻 a PPl ica tion Pr o b】e . ha v e a l. 决e n d isc u s sed in t卜。 p a升r · 叔词 :粗动电路 控制电路/绝缘祖晶体f 取挤价山 : d d d . g d r cuj t . e o . tr ol d r cu lt八G B T 1 前 言 近年来 , 电力电子技术正朝着大容t 、高频 化 、模块化 、智能化及廉价化的方向迅速发展 , 以提高装置的功率密度 , 降低嗓音 , 减小能耗和 原材料消耗 , 提高装置的性能 , 并简化电路设计 和提高系统的可靠性 。 IG BT 智能模块器件 (简称 IPM )就是在这 种趋势下发展起来的新型电力电子器件 。 该器 件以 IG B T 为羞本劝率开关元件 , 构成三相逆 变器的专用功能模块 , 以适应电动机变频调速 装置的需要 . IPM 的最大特点是集功率变换 、 驱动及保护电路于一体 , 而区别于通常的功率 模 块 器 件 。 现 以 日本 三 菱 公 司 生 产 的 R M 50 R H A 120 智能模块为例予以介绍 , 其内 部结构如图 1 所示 。 其中包括用于电机制动的 功率控制电路和三相逆变器各桥臂的驱动电 路 , 同时还具备驱动欠压 、过流 、桥臂短路及过 热等保护功能 。 实际使用时仅需提供各桥臂对 应 IG BT 的驱动电源和相应的开关控制信号即 可 , 方便 了应用和系统设计工作 , 并使可靠性 大大提高 。 该 IPM 额定工作电流为 50 A , 电压 耐t 为 1 200 V , 开关时间分别为 ‘二2娜 、 t‘ ~ 3 . 5娜 , 开关工作频率相应为 20 kH : , 可用于 7. sk v A /5 . skw 的变频调速装置 。 ... 』 」」 ;;;;; 气气 ;;; 图 1 IPM 棋块内部基本结构 本文为国家自然科学 (青年)荃金资助项目工作之一 《电力电子技术》1 9 9 5 年第 难期 1 9 9 5 . 1 2 图 2 光藕驱动控制电路 图 3 为 Pw M 工况下 的传输 延迟实验 波 形 。 R FL CH I分别为输入信号 v ‘的下降沿和 上升沿波形 , R FZ 、c H Z 分别为输出信号 vc 的 上升沿和下降沿波形 ;时间坐标为 Zo o n s / 格 。 分别比较上述波形可知 tl。和 tl , 都为 8 9ns 左 右 , 能很好地满足 IP M 模块的驱动控市『妻求 。 该驱动控制电路需提供独立的驱、动电源 , 通常可采用多路输出的开关电源来实现 . 广广广尸份份 ___ 「 ‘ 州州卜 ’ !!! lll JJJJJ 二二 卜卜卜卜卜卜 卜卜卜 JJJ 图 2 中的 Pw M 信号传输延迟 川喇洲cH23 图 如前所述 , IP M 内部 已包含驱 动电路 , 但 需提供驱动电源和开关控制信号 。 驱动电源的 典型电压值为 15 V , 由于功率元件采用 IG BT , 每一内含 IG BT 的驱动功率约 为 0 . 25 W , 故总 驱动功耗 < Zw , 驱动电源同时还为保护电路供 电 。 考虑到 IPM 的高频开关工作能力 , 开关控 制信号的传输隔离电路应具有尽可能短的传输 延迟时间 , 以提高驱动电路参数的一致性 。因此 IPM 驱动控制的基本要求如下 : · 提供 15 v 稳定的驱动 电源 (模块要求在 1 3 ~ 1 7 V 之间 )和开关控制信号 , 并具有良好的 电气隔离性能 ; · 信号传输延迟时间在 0 . 5科S 以 内并尽可 能小 , 提供低电平控制相应 IG B T 导通 , 高电平 控制关断 ; · 驱动电路简单可靠 、体积小 、成本低 。 针对以上特点及要求 , 本文提出三种快速 驱动控制电路 。 2 智能模块的驱动控制 2 . 1 采用光电祸合器 光电藕合器因结构简单 、使用方便 . 在电力 电子器件的驱动控制中广泛用来实现开关控制 信号的传输和电气隔离 。 由于 IPM 驱动电路要 求信号传输延迟时间在 0 . 5邵 以 内 , 因而器件 只能采用快速光藕 。为了提高信号传输速度 , 选 用逻辑门光电藕合器 6 N 1 37 。 该器件隔离电压 高 、共模抑制性强 、速度快 、高电平输出传输延 迟时间 tl,l 。和低 电平输出传输延迟 时间 tl, HI . 的 典型值都为 4 8ns , 最大值为 75 n s , 且价格适中 。 但该器件工作于 T T L 电平 , 而 IP M 模块 的开 关逻辑信号高电平为 1 5V , 这就需设计一个电 平转换电路 。 图 2 所示是采用光电祸合器的驱动控制电 路 。 图中稳压管 V 、和 电阻 R : 将 15 V 电源转 换 为 SV 电平 , 为光藕 V . 提 供工作 电源 。 当 Pw M 信号 为低电平 时光 韧的驱 动品体管 v , 开通 , 光藕输 出低电平使 V : 关断 , 输出信号 Vc 为高电平 , 控制相应 IG B T 关断 ;当 PW M 信号 为高电平时 V , 关断 , 光藕输出高电平使 V : 开 通 , 输 出信号 V 。 为低 电平 , 控制相应 IG B T 开 2. 2 采用双脉冲变压器 对于 Zo k H z 的 PWM 开关控制信号 , 可采 用脉冲变压器直接传送 , 但存在磁芯体积较大 和.开关占空比范围受限制的问 。为此 , 本文采 用 4MH : 、高频调制的来实现 PW M 信号的 传送 , 这种信号传输方式不仅可大大减小磁芯 尺寸和降低成本 , 更重要的是通过大幅度减小 脉冲变压器原 、副边的藕合分布电容 , 使脉冲变 压器的 电气隔离性能和抗 d V / dt 等 能力得到 进一步提高 . 同时使 Pw M 工况下的开关占空 比不受限制 。 由干 IPM 模块 内部 单个 IG B T 的驱动功 率仅为 0 . 25 w 左右 , 相应 15 v 电源 只需提供 最大 30 m A 的电流 , 因此 15 V 驱动电源可采用 IC BT 智能模块的驱动控制电路 ,1 2 1.二 2 ” UgFPHHS,”,RCRCl 4MH : 高 频 开 关 电 源 实 现 , 其 电路 结 构 与 PW M 信号的传输电路类似 。 图 4 所示为采用双脉冲变压器的驱动控制 电路 。 图 中 IC , 、 IC : 是双 传输与非 门驱动 器 7 5 4 5 2 。 该器件信号传输速度快 , 坑。和 tl, HI. 都为 2 5n , , 内含 的输 出 N PN 晶体管吸收 电流可达 30 0 m A , 集一射极间耐压 ZoV , 因此可直接用于 驱动脉冲变压器 。 lC , 内部的两个晶体管一直 工 作于推挽状态 , 占空 比为 50 % , 脉冲变 压器 T P , 传送的方波信号经 V 。, 、 V , 整流得到 1 5 V 驱动电源。 lc : 、内部的两个晶体管只有当输入 端 PW M 信号为高 电平时才推挽工作 , 脉冲变 压器 T P : 传送的方波信号经 v l。 、 v l、整流得到 高电平使 V : 开通 , 输 出信号 V 。 为低电平控制 相应 IG B T 开通 。 当输入端 PW M 信号为低电 平时 , lC : 内部两个晶体管均截止 , 脉冲变压器 无信号输出 , V , 开通使 V : 快速截止 , 输出信号 V 。 为高电平 , 控制相应 I G BT 关断 . 从而实现 了PW M 开关控制信号的传输与隔离 。 /////////////////////////////////////////// 一 ’’ 一一一 \ _ _ ___ ___ ,,, 月月月月’’又又}}} 。。厂厂厂厂厂厂lllllll 图 搜的 PW M 信号传输延迟 8一l内b”a ƒ补Ž叭卜1 l4 l3 吸2 ! l l0 门门门曰曰日日日日口口口口门门口口口口口口口口口厂厂厂 巨巨巨巨曰曰口口口口LLL巨巨口口口叮叮叮叮 LLL巨巨口口口口口口曰曰曰厂厂厂厂 !一一厂厂厂厂厂厂曰曰曰二二口口口口口口厂厂『『『『『 厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂!!!!! LLL L {{{}三三口口巴巴曰曰曰曰巨巨巨口口口曰曰日日口口口 巨巨门门口口匡匡巨巨口口口口口口口口口巨巨巨巨门门口口巨巨口口尸尸尸厂厂厂 巨巨巨 巨巨巨巨 巨巨巨巨口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 + 5 一 。 V o 4M H Z 4M H z 图 4 双高频变压器驱动控制电路 图 5 为该电路信号传输的实验波形 。 R F I 、 C H I 分别为输入信号 v ‘的上升沿和下降沿波 形 , R F Z 、 C H Z 分别为输出信号 V 。 的下降沿和 上升沿波形 , 时间坐标为 so o n s / 格 。 由图可见 , 信号的传输延迟时间在 1 0 0n 、 以内 , 其速度可 与快速光藕驱 动电路相比拟 。 图 6 为该 电路驱 动电源 U , 与输入 Pw M 信号占空比 D 的关 系 , 测试条件为开关频 率 2 0 k H z 。 由图可 见 , 随着占空比 D 变大 , 驱动电 源略微下降 , 电压变化范围为 1咬. 5 ~ 15 . sv , 偏 差量在 3 . 5 % 以内 , 能满足智能模块对驱动电 源的要求 。 0 t 0 2 硬, 30 4 0 50 6 0 7 0 8 0 n 0 I0 0 O ( 拓 ) 图 6 图 4 驱动电源的稳定性分析 lC , 、 IC : 为通用集成电路 , 可用逻辑信号驱 动 , 使 用方便 。 此外 , 由于采用 4M H : 高频调 制 , 脉冲变压器采用小磁珠即可 , 电路尺寸小而 紧凑 。 2. 3 采用单脉冲变压器 为进一步简化电路 , 本文又提 出了一种单 脉冲变压器驱动控制电路 、利用单脉冲变压器 同时传输驱动电源和 PW M 开关控制信号 。 其 基本思路是先将 PW M 信号的高 、低电平转换 为不同占空比的高频脉冲信号 , 通过脉冲变 压 器 同时传送能量和信号 。 传送 的能量以获得 1 5 V 电源信号 , 传送的信号再利用占空 比不 同 对应平均值也不同的特点由解调得到 PW M 开 关信号输出 。 电路原理如图 7a 所示 。 图中同样利用了通 用集成 电路 7 5吐5 2 的 特点 , 但载 频 已提高到 1 0M H z 。 图 7 b 给出了 IC 的 A 、 B 、C 、 D 四个输 入控制波形图 。 A 、 B 为两个互补的 loM H z 高 频调制方波信号 , C 、 D 信号随着 PW M 信号高 低 电平的不同而改变 。 当 PW M 为高 电平时 , C 、 D 为高电平 ,通过芯片 I C 内部的与门使 A 、 B 信号开通 , lC 内部两个 晶体管推挽工作 , 占 空 比为 50 % , 脉冲变压器 T P , 传送的能量经 《电力电子技术》1995 年第 4 期 妙95 · 11 V 。 、 V 。整流 , 再经 V 。隔离得到 15 V 驱动电 右 。 源 。 同时在 E 点得到高电平信号 , 使稳压管 V , 击穿 , V : 导通 , 翰出信号矶 为低电平 ,控制 相应 IG B T 开通 。当 Pw M 信号为低电平时 , C 、 D 为 A 、 B 信号的延时波形 , 通过与门使 IC 内 部两个晶体管基极信号 b : 、b : 为脉冲信号 , 这 样两个晶体管仍然推挽工作 , 但占空比为 25 % 左右 , T P , 传送能量以维持 15 V 电源电压 。 由 于占空 比为 2 5%左右 , E 点波形为脉冲信号 , 利用 R , 、R : 及 C: 的充放电特性使稳压管 V , 维持阻断 , V : 截止 , 输出信号 矶 为高电平 , 控 制相应 IG B T 关断 。 这样便实现了电源信号和 PW M 控制信号的同时传送 。 护护护}}} 砰砰砰砰砰砰砰料苹砰即即枷枷闹时从从\ 一一 }}}}}丫丫 一一 lllllllllllll认认认认认认认脚姗姗姗升升川州不不.召一一一 1111111 图 8 图 7 的 PWM 信号解调和信号传翰延迟波形 (a )P WM 信号高电平解调 (b )PWM 信号低电平解调 图 9 为该电路驱动电源 U. 与输入 PW M 信号占空比 D 的关系曲线 . 测试条件为开关频 率 20 kH : 。 由图可知电源电压随 D 的增大而略 徽上升 , 变化范围在 15 ~ 15 . Zv 之间 。 与图 4 相比 ,该电路驱动电源更为稳定 , 这是因为随粉 占空比增大 , 脉冲变压器传送的能t 增大 , 且晶 体管 V : 导通时间增长 , 相应驱动功耗增大 , 两 种因素相互综合抵消 , 使得电源的稳定度更好 。 图 7 (。)单高孩变压器驭动控侧电路 (b )各点控制信号波形 图 8 为 PW M 信号波形的具体解调过程 。 图中的 CH I 分别为输入 PW M 信号的上升沿 和下降沿波形 , CH Z 为 E 点信号波形 , R F3 分 别为认 输出信号的下降沿和上升沿波形 , 时间 坐标为 100 ns /格 。 比较图中的 CH I 和 R F 3 波 形可知 , 信号的传输延迟时间 t、和 t、都为 2 0 0 n s 左右 。 由于 PW M 信号的解调要利用 R 、C 电路 滤波以鉴别平均值 , 因而 PW M 信号的传输延 迟时间与载波频率密切相关 。实验表明 , 当载波 频率为 IM H : 时 , 传输延迟时间为 2娜 左右 , 为 载波信号周期的两倍 , 为此将载波频率提高到 10 M H : , 相应信号传输延迟时间降至 2 0 0 ns 左 口口口口口口口口口口口口口口口门门]]] 门门口口口口口口口口口口口]]] 口口口口口口门门口口口口口口口口口口口]]] 口口口口门门门门口口口口口口口口口口口口口口口口口门门门门门门门口口口口 . . . ... . . . ... . . ... . . ... . . ... . . ... . 巨---口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口门门门门门门门门]]] 门门口口口口口口口口口门门尸尸口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 公勺日 D (肠) ’ 图 9 图宁 驱动电源的稳定性 3 三种电路的对比分析 针对 IPM 智能模块的结构和驱动要求 , 提 出了三种驱动控制电路 , 附表中比较了这三种 电路的优缺点 。 由前述可知 , 采用光藕的电路结构简单 、体 IG BT 智能模块的驱动控制电路 积小 、信号传输延迟时间最小 、可靠性高 、电路 克服了由此引起的问题 . 由实验测得图 4 和图 推广性好 。 该电路只要改变光祸后级的功率放 7 中的驱动电源电压都很稳定 , 符合 IP M 要求 大电路 , 便可得到不同功率的驱动电路 , 可用于 驱动电源在 13 ~ 1 7v 的要求 。 IG BT 、 MO SFE T 、 G T R 单管及模块的驱动 。 但 图 4 中由于采用了两个高频脉冲变压器 , 该电路成本较高 . 抗干扰能力不及磁隔离的方 结构相对复杂些 。 但由于驱动电源及开关控制 法 , 且要求另设计单独的开关电撅 , 对 IP M 整 信号由两个脉冲变压器分别传输 , 具有驱动电 个模块要提供四个 15 V 的独立电源 (下桥臂三 源 (1 5 V )稳定 、传输延迟时间小 (< 10 0n 。 )的优 个 IG BT 可共用一个电源 ) 。该电路在需设计驭 点 。该电路只需对个别电路参数作适当调整 , 可 动保护功能时则成本更高 . 方便地用于 IG BT 、M OSF E T 单管和模块的各 在 图 4 和 图 7a 中均利用通用集成电路 种驱动电路 , 并能方便地构成驱动保护功能 。 7 5 4 52 内部的两甲NPN 输出晶体管作开关器 单脉冲变压器的驱动电路保持了双脉冲变 件进行高频调制 , 从而省去了用分立元件的许 压器驱动电路的优点 , 且结构更为简单紧凑 , 器 多麻烦 , 简化了电路设计 , 减小了电路的体积 。 件及材料的利用率更高 , 成本最低 , 驱动 电源 单高频和双高频脉冲变压器驱动控制电路 (1 5V )稳定性更好 , 是适合于 IPM 模块的专用 的突出优点是电源信号和 PW M 信号同时实现 驱动控制电路 。 该电路的不足是在同等调制频 隔离传输给出 , 无需另设计独立的开关电源 , 并 率下 , 传输延时 比双脉冲变压器电路稍大些 。 三种驱动电路的性能比较 图图号号 电路路 电路路 信号传枪枪 电 路路 电 路 抗抗 驱动电源源 电 路路 结结结构构 体积积 延迟时间间 可靠性性 干扰能力力 稳 定 性性 推广性性 图图 222 较简单单 较小小 80n : 左右右 高高 较好好 外部决定定 好好 图图 444 简单单 较小小 < 1 0 0 n sss 商商 好好 好好 好好 图图 777 最简单单 小小 20 如 . 左右右 较高高 好好 最好好 专用用 4 结束语 本文针对智能模块 (IP M )的特点及驱动要 求 , 设计了三种信号传输延迟时间小的驱动控 制电路 , 它们都具有结构简单 、体积小 、隔离性 好 、抗干扰性能好 、信号传输速度快的优点 . 实 验结果说明所提供的电路驱动特性令人满意 , 能很好地满足 IP M 模块的驱动控制要求 。 本文 的研究尚属探讨性的工作 , 各驱动控制电路的 特性还有待于在具体应用中进一步验证完善 。 今 考 文 献 1 章进法 ,林渭助 . 大功率晶体管模块驱动电路 . 电气自动化 , 1 9 94 (4 ) : 20一2 3 2 沈国桥 , 林渭勋 . 绝缘橱晶体管 (IG BT )驱动电 路研究. 电气自动化 , 29 93 (5 ) : 3 4 ~ 3 7 3 卢红 , 梁任秋 , 戴忠达 . IG BT 驭动保护与应用 技术 · 电力电子技术 , z , , s (2 ) : 1 ~ s 4 台新斌 . 功率晶体管的驱动与保护 . 电力电子 技术 . 19 91 (l ) : 7 ~ 1 0 5 K le m e n s H e u m a n n (西德 ). G TO 型 PWM 逆变 器的设计 . 国外电力电子技术 , 19 87 (4 ) : 1~ S 6 Sw a n eP0 e 1 P H e te · T r a n s fo r m e r C冶uPle d 众- r ec t Ba s e Dr i v e T e e卜01 0 “y fo r H i沙 P o w e r H ig h V o lta g e 残po la r T r a n s is to r PW M Co n v er t et s · IE E E IA S ’ 87 , 1 9 87 . 9 0 6 ~ 9 13 7 M a t su d a Y , Fu k u i H e te . 众 v e lo Pm e n t o f PW M In v e rte r E m Pl o vin g G T O · IE EE , 19 83 , IA 一 19 (3 ) : 335 ~ 342 收稿 日期 : 1 9 9 4 . 1 2 . 19 (下转第 1 9 页 ) 电容滤波型整流电路的网侧谐波分析 l 9 波含量均只与乘积 。R C 有关 ; (2) 三相桥式电路在轻载时直流侧获得的 充电电流是断续的 , 重载时是连续的 , 分界点是 R ~ 认了 /叨 ; (3 )位移因数都是超前的 , 电流最大超前角 单相和三相电路分别为 32 . 10 和 1 30 , 三相电路 的位移因数几乎为 1 ; (4 )基波因数 、电流畸变率及总功率因数都 随着 田尺C 的增大而变差 ; (5) 在相同的 。R C 下 , 两种电路的 , 、T H D 及 又这几项性能指标非常接近 , 在 。R C 二 o 附 近单相电路的指标稍好于三相电路 ; (6) 单相电路网侧电流谐波次数为 2) : + l , 而三相电路仅含 彻士 l 次谐波 , n ~ l , 2 , ⋯ 。 不 论哪种电路 , 随着谐波次数的升高谐波含量均 减少 ; 而且各次谐波的含量均随着 创天C 的增大 而增大 。 本文未计及电网侧的阻抗 , 网侧阻抗的影 响不可忽略时的谐波分析是后续工作之一 。 另 外 , 在滤波电容前串入小滤波电感来抑制冲击 电流 , 以 及采用相控桥式电路 , 也都是较常见的 电容滤波型整流电路的形式 , 其网侧谐波都有 待进行深入分析 。 参 考 文 献 1 黄 俊 . 半导体变流技术 (第二版) . 北京 : 机械 工业出版社 , 1 9 8 6. 2 K e lle y A . Y a d u sk y w . R e e tifie r 块。ig n fo r M i n im u m Lin e弋 u r r e n t H a rm o n ie s a n d M a x im u m Po w - er Fa e t o r . IE E E T r a n s o n Po w e r E le e t r o n ies . 1 9 9 2 , PE 一 7 (2 ) : 3 3 2 ~ 3 4 1 3 日本电气学会电力半导体 变流方式调研专门 委员会. 电力半导体变流电路 . 北京 : 机械工业出版社 , 1 9 9 3 . 4 林渭勋 , 章进法 , 袁晓明. 开关电源入端功率因 数校正技术 . 中国电工技术学会电力电子学会第五次 全国学术会议论文集 , 成都 , 1 9 93 , 们 1 ~ 4 14 5 张明勋主编 . 电力电子设备设计和应用 . 北京 : 机械工业出版社 , 1 9 9 0 · 收稿 日期 : 1 9 9 5 . 0 1 . 0 6 作者简介 刘进军 : 男 , 1 9 7 0 年 12 月生 , 博士研究生 。 专业研究方向为电力电子装笠的谐波抑制和无功补偿 . 率 放 : 男 , 1 9 6 2 年 5 月生 , 讲师 , 硕士 学位 . 研究方向为电力电子技 术 . 王兆安 : 男 , 1 9 4 5 年生 , 教授 , 博士生 导师 . 主要研 究才 向为 电力电于变流技 术 , 电力电子 电路仿真 , 谙波抑制及 无功功率补偿等 。 (上接 第 5 页 ) 作者简介 章进 法 : 男 , 1 9 6 4 年 2 月生 , 副教授 , 博士学位 . 主要从半电力电子技 术的教学和研究工作 。 研究方向 包括新型 功率半导体器件的应 用基础研 究 ; PW M 功率变换器及其控制技 术 ;功率变换器的 网侧功率 因数 校正技 术 ; 不 间断 供电电源技 术及高须 、超音须 感应加热 电源技术 。 姚凯卫 : 男 , 1 9 7 0 年 5 月生 , 硕士研究生 。 主要研 究方向为 IC BT 及其智能功率模块的应用 墓缺技术 ; 不 问断供 电电源及其网 侧功率 因数校正技 术 。