孟繁偉，常鐵原，張 苑

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，保定 071000）

基于IGBT斬波電路的大功率負(fù)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，保定 071000）

0 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(diǎn)，具有通流能力強(qiáng)、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)。IGBT是一種電壓控制型電力電子器件，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(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)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(shí)間增加，必然造成損耗增大。良好的驅(qū)動(dòng)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(fù)載中的應(yīng)用，說明驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路。

1 斬波電路設(shè)計(jì)

1.1 器件選擇

在實(shí)際工程中，常需要在市電條件下用大功率負(fù)載產(chǎn)生短時(shí)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(fù)載單路能提供最大50A的電流，功率達(dá)14KW并可根據(jù)實(shí)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600V，內(nèi)含保護(hù)二極管，可防止IGBT導(dǎo)通瞬間的浪涌。TC=25℃時(shí)最大通過電流為150A，TC=100℃時(shí)為75A。由于極間存在納法級(jí)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(diǎn)及電路設(shè)計(jì)要求，選擇IR公司的IR2125作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用先進(jìn)的高壓集成電路和無閂鎖CMOS技術(shù)制作，源電流達(dá)1A，匯電流達(dá)2A，高側(cè)浮動(dòng)電源電壓VB達(dá)525V，輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓為12～18V。自舉模式時(shí)，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4.5μA，易驅(qū)動(dòng)。由于內(nèi)部采用了自舉技術(shù)，驅(qū)動(dòng)芯片可以驅(qū)動(dòng)工作于高端和低端的N溝道MOSFET或IGBT。具欠壓自鎖功能，可實(shí)現(xiàn)自身欠壓保護(hù)。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(shí)，需多個(gè)IR2125作驅(qū)動(dòng)器，為彌補(bǔ)單片機(jī)輸出的PWM驅(qū)動(dòng)能力不足的問題，選取高速單通道光耦6N137作第一級(jí)驅(qū)動(dòng)器。其轉(zhuǎn)換速率達(dá)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(shí)間為75ns。

1.2 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

輸入電容Cies、輸出電容Coes和反向電容Cres是影響IGBT驅(qū)動(dòng)功率的三個(gè)重要參數(shù)。IGBT完全開啟，需使Cies和Cres充滿電，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(dòng)電路設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)是Qg。單個(gè)IGBT所需驅(qū)動(dòng)功率可據(jù)式（1）得到：

其中f=100KHz，Qg=248nC，ΔU=15V，則功率P=0.37W。

1.3 柵極電阻選擇

驅(qū)動(dòng)芯片與IGBT柵極間串接電阻Rg在驅(qū)動(dòng)電路[3]的設(shè)計(jì)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(lì)下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生電壓鉗位，驅(qū)動(dòng)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)速度快，損耗??；反之則速度慢，損耗大。經(jīng)測試，Rg為20Ω時(shí)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(dòng)功率決定，功率降在Rg上能夠降低驅(qū)動(dòng)芯片的功耗。單路IGBT驅(qū)動(dòng)功率為0.37W，選擇1W電阻即可。

1.4 柵極驅(qū)動(dòng)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)式（2）得到：

當(dāng)柵極電阻Rg=20Ω時(shí)，IG=0.75A，IR2125能夠滿足驅(qū)動(dòng)所需。

1.5 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(dāng)管腳VB與VS間電壓低于限定值10.4V時(shí)，欠壓自鎖電路便將輸出關(guān)斷。當(dāng)電壓值再次高于限定值后，輸出保持自鎖狀態(tài)，直到輸入狀態(tài)發(fā)生變化輸出才回到正常狀態(tài)。

圖1 單路驅(qū)動(dòng)電路

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(chǔ)存足夠電荷以保證驅(qū)動(dòng)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(huì)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10μA，最大反向恢復(fù)時(shí)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(dòng)電路，R1為限流電阻，R2為上拉電阻。

1.6 IGBT電路設(shè)計(jì)

IGBT的一個(gè)重要參數(shù)為最大開關(guān)頻率，該參數(shù)由關(guān)斷延遲td(off)確定，據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，最小開關(guān)時(shí)間約為關(guān)斷時(shí)間的40倍。該管的關(guān)斷延遲典型值為136ns，據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)IGBT電路時(shí)還應(yīng)注意以下五點(diǎn)：

1）柵極耐壓值為±20V，柵極和地間對接兩個(gè)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(shí)間存于輸入電容中，易引起誤導(dǎo)通。柵極和地間接一個(gè)10KΩ/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(dòng)電路提供100KHz方波，柵極電容快速充放電，在柵極和地間接10μF電容保護(hù)柵極[6]。

4）集射間加濾波電容，實(shí)驗(yàn)證明容值為0.033μF時(shí)濾波效果好，D4和D5起保護(hù)和續(xù)流作用。

5）多路直接并聯(lián)時(shí)，分流不均現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致分流大的管子燒毀，加入功率電阻進(jìn)行均流[7]，實(shí)驗(yàn)證明均流電阻壓降為管子門檻電壓的1/5為好。此時(shí)電流為50A，門檻電壓為5V，據(jù)歐姆定律得均流電阻RCS為0.02Ω。當(dāng)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(shí)現(xiàn)均流。

負(fù)載電阻選取大功率繞線電阻，實(shí)驗(yàn)證明，1s內(nèi)6Ω/300W的繞線電阻RL即可滿足50A電流狀況，電阻可根據(jù)實(shí)際并聯(lián)得到。調(diào)整占空比可改變電壓和電流有效值，計(jì)算過程如式(3)～式(5)所示。

D為PWM波占空比，U0為整流后電壓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100～750A電流。圖2為其中一路斬波電路，為了保護(hù)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

2 PWM波發(fā)生

2.1 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(jì)數(shù)陣列PCA的單片機(jī)C8051F340作為PWM發(fā)生器，PCA提供增強(qiáng)的定時(shí)器功能，更加精確，跳變沿更加理想。

2.2 原理與算法

PCA由一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和5個(gè)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(hào)頻率取決于PCA的時(shí)基，使用捕捉/比較寄存器PCA0CPLn能改變PWM輸出信號(hào)的占空比。當(dāng)PCA的低字節(jié)PCA0L與PCA0CPLn中的值相等時(shí)，輸出置高；當(dāng)PCA0L中計(jì)數(shù)值溢出時(shí)，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。

f0為PCA時(shí)基信號(hào)，選擇24MHz時(shí)鐘，則PWM頻率為93.75KHz。

占空比D是高電平在一個(gè)周期內(nèi)所占的時(shí)間比，此處由式（7）給出。

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)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(shí)器中斷控制PWM波保持時(shí)間。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的斬波電路，加入了合理的保護(hù)，多路并聯(lián)使用可滿足大功率需求。利用單片機(jī)產(chǎn)生占空比和保持時(shí)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(gè)解決思路。

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High-power IGBT chopper circuit in the application of the low voltage electric leakage check

MENG Fan-wei, CHANG Tie-yuan, ZHANG Yuan

介紹一種用于實(shí)際工程的大功率負(fù)載，該負(fù)載基于IGBT斬波電路。與傳統(tǒng)模擬負(fù)載相比，該電路的特點(diǎn)是電流大，功率高。采用C8051F340產(chǎn)生占空比及保持時(shí)間可調(diào)的PWM波，用于調(diào)整電流大小。為IGBT設(shè)計(jì)了可靠的隔離電路，將CPU部分與IGBT部分隔離。設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的保護(hù)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(jī)控制PWM的保持時(shí)間，保護(hù)IGBT的同時(shí)增加了測量的準(zhǔn)確性。

IGBT斬波；大功率；可調(diào)可控

孟繁偉（1988 -），男，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事信號(hào)檢測與處理研究。

TN710

B

1009-0134(2014)06(上)-0154-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).44

2013-12-09