任強 孫馳 胡亮燈 陳玉林

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033)

一種IGBT集電極電壓測量電路的設(shè)計

任強 孫馳 胡亮燈 陳玉林

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033)

由于大功率IGBT開通和關(guān)斷集-射電壓具有跨度大的特點,現(xiàn)有的大功率IGBT驅(qū)動檢測電路無法同時實現(xiàn)寬范圍、高精度的測量。為此提出了一種新的IGBT集電極開通和關(guān)斷電壓集成的測量電路。該電路通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)IGBT關(guān)斷電壓的測量;利用驅(qū)動信號來控制電流源向高壓隔離二極管注入微小電流使其導(dǎo)通,并對此二極管誤差進(jìn)行補償,實現(xiàn)IGBT導(dǎo)通飽和壓降的精確測量。仿真和試驗驗證了設(shè)計電路的正確性和有效性,可為高壓大功率IGBT高性能驅(qū)動器的研制奠定基礎(chǔ)。

IGBT 集電極電壓 飽和壓降 電流源 測量

0 引言

現(xiàn)代變流系統(tǒng)中,大功率IGBT及其驅(qū)動器得到了廣泛的應(yīng)用。集電極電壓作為IGBT的一個重要電氣參數(shù),對IGBT的正常運行有著重要作用[1]。目前,集電極電壓主要應(yīng)用在模擬式IGBT驅(qū)動器保護控制電路中,這些應(yīng)用對集電極電壓精度要求不高。隨著數(shù)字式IGBT驅(qū)動技術(shù)的出現(xiàn),IGBT集電極電壓的寬范圍、高精度測量和數(shù)字化,是數(shù)字式驅(qū)動器實現(xiàn)有效控制的基礎(chǔ),對判斷IGBT是否短路、過流和過壓等故障及結(jié)溫在線估計,對變流器少傳感器或無傳感器控制及變流系統(tǒng)安全可靠運行起著重要作用[2]。

IGBT集電極關(guān)斷、導(dǎo)通電壓跨度大,對測量精度要求不同,特別是要通過飽和壓降來進(jìn)行狀態(tài)識別和結(jié)溫估計,需要飽和壓降測量精度在幾十毫伏量級[3-5]。現(xiàn)有的一些測量電路和測量方法只能實現(xiàn)一種電壓狀態(tài)的測量或測量精度難以滿足應(yīng)用要求[6-10]。本文提出了一種IGBT集電極電壓測量方法,測量電壓范圍寬、低壓測量精度高,測量結(jié)果滿足實際應(yīng)用需要。

1 集電極電壓測量電路原理

根據(jù)IGBT關(guān)斷和開通時的集電極電壓跨度大、兩種狀態(tài)電壓測量精度要求不同的特點,用兩個測量支路分別對關(guān)斷電壓和導(dǎo)通壓降進(jìn)行測量。集電極電壓測量電路原理如圖1所示。

圖1 集電極電壓測量電路原理圖Fig.1 Principle of the collector voltage measurement circuit

圖1中,T1為待測IGBT;IGBT關(guān)斷時的關(guān)斷電壓測量支路由電阻R1、R2組成;IGBT導(dǎo)通時飽和壓降測量支路由二極管D1、D2,開關(guān)S,電流源I1、I2及電阻R2組成。D1、D2為同型號二極管,開關(guān)S由IGBT門級驅(qū)動信號控制。D3為測量輸出穩(wěn)壓管,保護輸出后級電路。UOUT為測量輸出電壓。

1.1 穩(wěn)態(tài)時關(guān)斷電壓測量

當(dāng)IGBT關(guān)斷時,S斷開,D1承受反壓而截止。此時, IGBT集電極關(guān)斷電壓測量支路可簡化為圖2所示電路。

圖2 IGBT集電極關(guān)斷電壓測量電路Fig.2 Measurement circuit of IGBT collector turnoff voltage

圖2中,集電極關(guān)斷電壓經(jīng)R1、R2分壓,在R2上得到測量輸出電壓UOUT:

式中:UCEoff為IGBT關(guān)斷集電極電壓;UOUT為IGBT關(guān)斷測量電路輸出電壓。

由于IGBT的關(guān)斷電壓很高,且要使測量支路功耗盡量小,因此,R1為耐高壓大電阻,R2阻值較小。R1幾乎承受全部的集電極關(guān)斷電壓,R2根據(jù)后級處理電路的輸入限值而定。基于電阻功率和耐壓能力的限制,R1可由幾個同型號耐壓較高的電阻串聯(lián)而成。

1.2 穩(wěn)態(tài)時飽和壓降測量

當(dāng)IGBT導(dǎo)通時,S閉合,電流源I1、I2導(dǎo)通二極管D1、D2。由于IGBT導(dǎo)通電阻相對于R2(千歐級)很小,故在IGBT導(dǎo)通后,I2幾乎全部流經(jīng)D1,I1全部流經(jīng)D2。R1阻值很大(兆歐級),相對于二極管導(dǎo)通電阻,可認(rèn)為R1開路。因此,在IGBT導(dǎo)通下,圖1所示集電極電壓測量電路可簡化為圖3所示電路。

圖3 IGBT集電極飽和壓降測量電路Fig.3 Measurement circuit of IGBT collector saturation voltage drop

此時,飽和壓降測量電路有如下電壓關(guān)系:

式中:UD1、UD2分別為二極管D1、D2導(dǎo)通壓降;UCEon為IGBT導(dǎo)通集電極飽和壓降;UOUT為IGBT飽和導(dǎo)通下測量電路的輸出電壓。

考慮到二極管導(dǎo)通壓降受IGBT工況的變化而變化,要實現(xiàn)IGBT集電極飽和壓降的精確測量,需要對二極管進(jìn)行誤差修正。根據(jù)二極管正向?qū)▔航祏滿足如下關(guān)系式:

式中:i為二極管正向?qū)娏?T為環(huán)境溫度;IS為二極管反向飽和電流;q、k為常數(shù)。

從式(3)可以得出,二極管導(dǎo)通壓降受環(huán)境溫度以及正向?qū)娏饔绊?。?dāng)兩同型號二極管在相同環(huán)境溫度下,通以相同的正向電流時,兩二極管的正向?qū)▔航祷鞠嗤?/p>

基于以上分析,由于二極管D1、D2相隔很近,所處的環(huán)境溫度基本相同,當(dāng)電流I1、I2大小相等時,兩二極管導(dǎo)通壓降基本相等,即:

代入式(2),可得到IGBT導(dǎo)通飽和壓降測量值UOUT:

此測量支路在基于文獻(xiàn)[9]中的退飽和電路上,通過反向串聯(lián)相同的二極管D2,并通以相同的電流,利用D2導(dǎo)通壓降的反向補償,可以較好地消除由二極管導(dǎo)通壓降引入的誤差。此方法理論上可以得到精確的飽和壓降值,測量精度高。

電流源I1、I2通過鏡像電流源電路實現(xiàn),如圖4所示。

圖4 鏡像電流源電路Fig.4 The circuit of current mirror source

當(dāng)調(diào)節(jié)電阻R時,可以改變流過R的基準(zhǔn)電流IR的大小,從而得到需要的輸出電流I:

式中:UCC為電流源供電電源;UBE為基-射電壓;R為鏡像電流源參考電阻。

此鏡像電流源對三極管精度要求較高,要達(dá)到較為理想的電流鏡像,需要兩個PNP管的參數(shù)高度一致。故在實際設(shè)計中,輸出電流存在一定的誤差。在實際應(yīng)用中,可以用電流源芯片代替鏡像電流源電路,電路更簡單,效果更好。

1.3 測量電路開關(guān)過渡過程分析

由于IGBT開關(guān)過渡過程很快,當(dāng)集電極電壓在關(guān)斷高電壓和飽和低電壓兩種穩(wěn)態(tài)間切換時,快速變化的集電極電壓會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

當(dāng)IGBT關(guān)斷時,集電極電壓迅速上升,二極管D1反向恢復(fù)。此反向恢復(fù)電壓較高,會在R2上產(chǎn)生瞬間高壓尖峰,給后級電路造成破壞。因此,為保證測量電路的安全可靠,在輸出端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管,對瞬時尖峰進(jìn)行抑制。同時,由于電流源電路及線路分布電容的影響,關(guān)斷后瞬間,測量輸出電壓滯后實際關(guān)斷電壓。為解決此現(xiàn)象,可在R1兩端并聯(lián)一小電容,補償因分布電容對IGBT關(guān)斷集電極電壓造成的滯后。

當(dāng)IGBT開通時,集電極電壓迅速下降,二極管D1承受的反向電壓迅速減小。同時S閉合,I1、I2全部流經(jīng)D2,在R2上產(chǎn)生恒定輸出電壓。當(dāng)IGBT集電極電壓下降到和輸出電壓相等時,I2從D2支路換流到D1支路,測量電路進(jìn)入飽和壓降的測量狀態(tài)。

2 仿真研究

為驗證所設(shè)計的測量電路的有效性,根據(jù)設(shè)計方案,基于PSPICE16.3,對圖1所示集電極電壓測量電路進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù):IGBT為三菱公司CM400HA-34H型模塊,R1=6 MΩ,R2=30 kΩ,I1、I2=1 mA。仿真結(jié)果如下。

①不同母線電壓下仿真結(jié)果。在母線電壓分別為400 V、800 V和1 200 V時,IGBT關(guān)斷和開通集電極電壓及其測量波形仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同母線電壓時集電極電壓仿真波形Fig.5 The collector voltage simulation waveforms under different bus voltages

圖5(b)中,對不同的母線電壓情況,根據(jù)式(1),將測量值乘以比例系數(shù)后與集電極電壓實際值作對比。可以看出,集電極關(guān)斷電壓測量值和實際值相差約10 V,說明測量電路能較好地跟蹤母線電壓的變化,測量范圍可根據(jù)實際需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。從5(c)中可以看出,當(dāng)母線電壓增加時,IGBT飽和壓降也增加。飽和壓降測量值和實際值重合性好,測量誤差小于10 mV。

②不同溫度下仿真結(jié)果。母線電壓800 V、負(fù)載電流100 A、仿真溫度由0～150℃變化時,穩(wěn)態(tài)下IGBT導(dǎo)通飽和壓降實際值和測量值波形如圖6所示。

圖6 飽和壓降隨溫度變化情況Fig.6 Variation of saturation voltage drop with temperature

從圖6可以看出,隨著溫度的升高,IGBT集電極飽和壓降值會升高,而飽和壓降仿真測量值能很好地跟蹤飽和壓降實際值的變化,實現(xiàn)高精度測量。

從以上仿真結(jié)果可以得出,此測量電路能較精確的測量IGBT關(guān)斷和開通時的集電極電壓。

3 試驗研究

為了進(jìn)一步驗證測量電路的正確性,設(shè)計了測量電路板,并基于Buck電路進(jìn)行了試驗驗證。試驗中, R1由6個1 MΩ/500 V電阻串聯(lián)而成;R2的阻值為30.1 kΩ;I1、I2均設(shè)計為1 mA;IGBT為英飛凌FZ1500R33KF2C模塊;高壓探頭為PINTECH DP-50差分探頭以及通用低壓探頭。試驗中通過電容的儲能和瞬間放電來得到大電流。隨著電容的放電,電容電壓降低。

本試驗中,用高壓探頭和低壓探頭分別測量高壓下的關(guān)斷電壓實際值和測量輸出值,并根據(jù)式(1),將測量值乘以比例系數(shù)后與實際值作對比,以驗證關(guān)斷電壓的測量準(zhǔn)確性。由于高壓探頭的低壓測量精度不高,無法對集電極飽和壓降實際值進(jìn)行精確測量。因此,根據(jù)IGBT在高壓下的飽和壓降等效于低壓大電流下的飽和壓降,在驗證飽和壓降測量準(zhǔn)確性時,以低壓大電流模擬高母線電壓下的飽和壓降,用兩個低壓探頭分別測得飽和壓降實際值和測量輸出值,并將測得的實際值和測量值作對比,以此驗證飽和壓降測量的準(zhǔn)確性。試驗分以下兩步進(jìn)行。

①母線電壓為2 000 V,負(fù)載為1 mH感性負(fù)載,驅(qū)動脈沖為雙脈沖,關(guān)斷電壓的試驗波形如圖7所示。

圖7 IGBT關(guān)斷時集電極電壓測量波形Fig.7 Measurement waveforms of IGBT collector voltage(turn off)

圖7中,第400～600 μs為IGBT關(guān)斷期間。在IGBT關(guān)斷瞬間,由于二極管的反向恢復(fù),使得集電極電壓測量值和實際值出現(xiàn)關(guān)斷尖峰。同時,由于高壓測量支路分壓電阻較大,且受寄生電容的影響,測量值較實際值有40 μs的延時,其后測量值能很好地跟隨實際值,測量誤差在20 V以內(nèi)。試驗結(jié)果和仿真結(jié)果吻合。

②母線電壓為150 V,負(fù)載為0.1 mH電感,大電流下對IGBT飽和壓降進(jìn)行測試,其飽和壓降測量結(jié)果如圖8所示。

圖8 IGBT導(dǎo)通時集電極飽和壓降測量波形Fig.8 Measurement waveforms of IGBT collector saturation voltage drop(turn on)

圖8(a)中,第0～1.6 ms和2.0～2.8 ms為IGBT導(dǎo)通期間。由于示波器的量程選擇較小,集電極電壓波形被截斷,不顯示更高電壓值。從圖8(a)可以得出,IGBT集電極電流最大為1 100 A,飽和壓降可達(dá)2 V,與2 000 V母線電壓時的飽和壓降值接近。這說明利用低壓大電流來模擬高壓下的飽和壓降是有效的。圖8(b)中,飽和壓降測量波形和實際波形幾乎重疊,測量電路在飽和壓降實際值發(fā)生變化時,測量值能很好地跟隨實際值,測量誤差在20 mV以內(nèi),測量精度較高。

4 結(jié)束語

本文提出了一種新的IGBT集電極開通和關(guān)斷電壓集成的測量電路,以電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對IGBT關(guān)斷電壓的測量,電路簡單,測量電壓等級高。基于退飽和檢測電路,通過控制電流源,向IGBT集電極主動注入微小電流導(dǎo)通高壓隔離二極管,并通過串聯(lián)二極管對高壓隔離二極管進(jìn)行誤差補償,實現(xiàn)對IGBT導(dǎo)通壓降的精確測量,測量精度可達(dá)十毫伏級。仿真和試驗驗證了上述結(jié)論的正確性。此測量電路對數(shù)字式中大功率IGBT驅(qū)動器的設(shè)計有一定的借鑒作用;對實現(xiàn)IGBT的狀態(tài)檢測、保護和結(jié)溫的在線估計具有較好的利用價值。

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Design of the Measurement Circuit for IGBT Collector Voltage

As the feature of large collector-emitter voltage span for turning-on/turning-off the large power IGBT,the existing IGBT drive detection circuit is unable to achieve both wide range and high precision measurement.For this reason,the new integrated measuring circuit for IGBT turning on/turning off voltage is proposed.The measurement of the turning off voltage of IGBT is realized through resistor voltage divider network,the drive signal is used to control current source for injecting small current to turn on the high voltage isolation diode,and the error of diode is compensated for implementing accurate measurement of the saturation voltage drop of IGBT.The results of simulation and experiment verify the correctness and effectiveness of the circuit designed,this lays the foundation for developing high performance drivers for high voltage large power IGBT.

Insulated-gate bipolar transistor(IGBT) Collector voltage Saturation voltage drop Current source Measurement

TM133

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號:51177170)。

修改稿收到日期:2014-01-06。

任強(1989-),男,現(xiàn)為海軍工程大學(xué)電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事電力電子與電力傳動的研究。