（控制科学与工程专业论文）双级矩阵变换器驱动保护电路设计与研究.pdf

摘要 双级矩阵变换器( t w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e r ，t s m c ) 是一一种 新型拓扑结构的电力变换器，其继承了传统矩阵变换器的优点：能量 双向流动、输入输出电压电流正弦波形、输入功率因数町控、结构紧 凑、无中问储能环节。除了以上优点外，舣级矩阵变换器还具有功率 丌关器件数量减少、箝位电路简单、换流简单可靠和调制算法复杂度 降低等优点，因此已成为目前具有发展潜力的一种电力变换器。 本文详细分析了双级矩阵变换器对于歼关器件的要求和丌关器 件的选择。选择了i g b t ( 绝缘栅极品体管) 作为双级矩阵变换器的 开关器件，并且对其结构与基本性能做了详细的介绍，在仿真j j 二具 p s p i c e 下建克仿真模型，了解i g b t 器件在开关过程中电流和电压的 变换规律。 在双级矩阵变换器中，驱动电路控制开关器件i g b t 有序的丌通 与关断，使双级矩阵变换器能够町靠换流。保护电路确保开关器件 i g b t 在异常状态卜能够及时关断，保障装置的安全性。 本文分析了双级矩阵变换器对于驱动电路和保护电路的基本要 求，采用三菱公司的m 5 7 9 6 2 l 驱动芯片设计了一款针对双级矩阵变 换器的驱动保护电路，该电路驱动能力强、功能配置灵活、通用性强、 成本低，具有过载、短路、过压等保护功能，保障了双级矩阵变换器 的安全稳定地运行。实验结果表明所设计的驱动电路和保护电路的有 效性，为双级矩阵变换器的工业化和产品化奠定了一定的基础。 关键词：双级矩阵变换器，i g b t ，驱动电路，保护电路 a b s t r a c t t w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e r ( t s m c ) i san e wt o p o l o g yf o rd i r e c t a c a cc o n v e r t s i ti n h e r i t sa l lt h eg o o df e a t u r e so ft h ec o n v e n t i o n a l m a t r i x c o n v e r t e r ( c m c ) ： b i d i r e c t i o n a l p o w e rf l o w , s i n u s o i d a l i n p u t o u t p u tc u r r e n t ，c o n t r o l l a b l ei n p u tp o w e rf a c t o r , h i g hp o w e rd e n s i t y a n dn ol a r g ee n e r g ys t o r a g ec a p a c i t o r c o m p a r e dt ot h ec m c ，d b m c h a v es p e c i a lf e a t u r e ss u c ha sr e l a t i v es m a l ln u m b e ro fs w i t c h i n gd e v i c e s ， s i m p l i f i e dc l a m pc i r c u i t ，r e l i a b l ec o m m u t a t i o na n dm o d u l a t i o ns t r a t e g yo f l e s sc o m p l e x i t y t h i sp a p e ra n a l y z e st h et w o s t a g em a t r i xc o n v e n e rr e q u i r e m e n t sf o r s w i t c hd e v i c e sa n ds w i t c hd e v i c e so p t i o n s e l e c tt h el g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r s ) a sat w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e rs w i t c h i n gd e v i c e s ，a n d t h eb a s i cp r o p e r t i e so ft h es t r u c t u r ea n dm a d ead e t a i l e di n t r o d u c t i o n ，t h e s i m u l a t i o nt o o l se s t a b l i s h e du n d e rp s p i c es i m u l a t i o nm o d e lt ou n d e r s t a n d t h ep r o c e s so fi g b td e v i c e si nt h e s w i t c h i n gc u r r e n ta n dv o l t a g e t r a n s f o r m a t i o nr u l e s i nt h et w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e lt h es w i t c h i n gd e v i c ei g b td r i v e c i r c u i tc o n t r o lt h eo p e n i n ga n do r d e r l ys h u t d o w n ，s ot h a t t w o s t a g e m a t r i xc o n v e r t e rc a nb er e l i a b l ec o m m u t a t i o n i g b tp r o t e c t i o nc i r c u i t s e n s u r et h a tt h es w i t c h i n gd e v i c ei nt h ea b n o r m a ls t a t ec a nb eo f fi nt i m e t op r o t e c tt h es e c u r i t yo fy o u rd e v i c e t h i sp a p e ra n a l y z e st w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e rd r i v ec i r c u i ta n d p r o t e c t i o nc i r c u i tf o rt h eb a s i cr e q u i r e m e n t s ，w i t hm i t s u b i s h im 5 7 9 6 2 l d r i v e ri cd e s i g n e dat w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e rf o rd r i v i n gt h ep r o t e c t i o n c i r c u i t ，t h e c i r c u i td r i v e c a p a b i l i t y , f e a t u r e s f l e x i b l e c o n f i g u r a t i o n ， v e r s a t i l i t y , l o wc o s t ，w i t ho v e r l o a d ，s h o r tc i r c u i t ，o v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n ， t h ep r o t e c t i o no fat w o s t a g em a t r i xc o n v e i r t e rt or u ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t y e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g no ft h ed r i v ec i r c u i ta n d p r o t e c t i o nc i r c u i t sa r ee f f e c t i v ef o rt w o - s t a g em a t r i xc o n v e r t e rp r o d u c to f i n d u s t r i a l i z a t i o na n dl a i daf o u n d m i o n k e y w o r d s ：t w o s t a g em a t r i xc o n v e r t e qi g b t , d r i v e rc i r c u i t ，p r o t e c t i o n c i r c u i t 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文的背景和意义 第一章绪论 随着全球经济的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，电气化技术的普及 与应用越来越广，电能的消耗量也迅速升高，随之带来的能源短缺问题和环境污 染l 口- j 题也成为人类不得不面对的重大难题【l 】。在我国，近年来国民经济快速发展， 迅速增长的耗电量带来的能源与环境问题显得格外突出。一方面，我国7 0 的电 能生产来源于火电，每年消耗大量煤炭资源。我国的煤炭储量只占世界的总量的 1 1 ，但年开采量却是世界第一，据专家预测，我国的煤炭还可供开采1 0 0 年， 这给我国社会和经济的可持续发展带来的严重的隐患。另一方面，燃煤发电对环 境造成了严重的污染，其二氧化碳排放过度导致全球性温室效应【4 7 1 。在近几年， 国家提出了“资源节约型 ，“低碳 口号与措施来倡导节约和可持续发展政策。 我国的电能产量和消耗量已居世界第二位，但仍不能满足工业生产和人民生 活发展的需求。根据国家有关部门调查统计，我国发电量的6 0 - - 7 0 用于推动 电机做功，其中9 0 的电动机为交流电动机，大部分是直接拖动。由于采用直接 恒速拖动，每年造成大量的电能浪费【2 j 。交流变频调速技术是实现电气化节能的 最重要的途径之一，采用交流变频调速技术实现变速运行，节能效果明显。 交流电力变换器是变频调速系统中的核心，它是采用电力电子器件按照一定 的拓扑结构构成的交交电力变换装置，现已成为许多工业设备和家用电器中重 要的组成部分【4 8 1 。传统的三相交交变频电路由三相反并联晶闸管可逆桥式变流 器组成，它采用电网自然换流，只需要一次换流实现变频，换流效率高，方便实 现四象限运行，而且低频时输出的波形接近正弦波。但其缺点是：晶闸管数量较 多，接线复杂；输出频率范围窄；采用相控整流，功率因数低；应用场合具有一 定局限性。随着p w m 技术的成熟，p w m 变频器的成熟应用为自动化和节能赢 得了可观的效益，但也带来了谐波污染、低功率因数、直流滤波电容寿命有限等 负面影响【3 l 。 为了解决传统的交交电力变换器存在的谐波污染严重、低功率因数等问题， 进一步改善交流电动机调速系统的运行性能，扩大交流传动在工业自动化领域的 应用，矩阵变换器作为现有p w m 变频器和传统的交交变频电路的一种补充和 替代技术，被推上了变频调速的历史舞台 4 1 。由于矩阵变换器自身结构的特点， 其具有一系列的优点t ( 1 ) 输入和输出电流都是正弦波。( 2 ) 输入功率因数可控， 带任何负载时都能使功率因数为1 0 。( 3 ) 可获得工频上下可控的输出频率。( 4 ) 能量传输可逆。( 5 ) 省去体积庞大的直流环节滤波电容，这是所有变频器不能完 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 全企及的【6 】。因此可以说，矩阵变换器技术的提出是为了弥补交直交型变频器 和传统交交型变频器电路的不足。 在矩阵变换器的基础上，人们又提出了双级矩阵变换器。双级矩阵变换器在 实现传统矩阵变换器所有特性的同时，还具有很多其他的优点：( 1 ) 简单的调制 策略；( 2 ) 箝位电路；( 3 ) 电网侧的整流级可以实现零电流换流；( 4 ) 可以根据 实际工况灵活选取拓扑结构等【7 1 。这让双级矩阵变换器成为一种较理想的用于交 流传动的变频器。 1 2 当前研究现状 1 2 1 矩阵变换器的研究现状 矩阵变换器这一技术f 蜘，从被l g y u g i 于1 9 7 6 年提出，距今已有3 0 多年， 到近1 0 年间逐步成熟并实现商品化，在调制策略、换流方式、器件开发等各项 关键技术上都取得了长足的进步。目前，已经能够实现矩阵变换器商品化公司的 产品有德国西门子公司的7 5 k w 工业变频传动用矩阵变换器、日本安川电机公 司和富士电机公司的矩阵变换器样机等【5 1 。 国际上主要有几个小组进行矩阵变换器的研究工作。威斯康星麦迪逊大学 的l i x i a n gw d 、t a l i p o 等【9 】，提出了一种双级矩阵变换器的拓扑结构【1 0 】，实现 了满足输出电压和输入电流相位要求的调制策略1 1 1 l ，完成了9 个功率开关的双级 矩阵变换器样机的实现1 1 2 i 。英国诺丁汉大学的c k l u m p n e r 、ew h e e l e r 等【8 1 ， 提出了采用多逆变级共享一个整流级的多驱动双级矩阵变换器的拓扑结构，达到 降低成本的目的。丹麦a a l b o r g 大学电力电子研究中心多年来一直致力于矩阵变 换器的研究与开发，研制了适用于工业生产的矩阵变换器样机，之后又研究了基 于矩阵变换器理论的双桥直接变换器【聊。 国内的矩阵变换器研究团队主要集中在清华大学、哈尔滨工业大学、南京航 空航天大学、浙江大学以及中南大学等高校 2 0 - 3 2 l ，研究水平与国际上相比还存在 着一定的差距。 1 2 2 电力电子器件的研究现状 从1 9 5 8 年美国通用电气( g e ) 公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管 开始，这标志着电力电子器件技术的诞生。经过了半个多世纪的发展，电力电子 器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推 动器件的不断创新。微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制 作中得到更广泛的应用；具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带隙的新 型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高 结温、高频率、高动态参数的器件【4 9 1 。从结构看，器件将复合型、模块化：从性 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善 动态参数和多功能化；从应用看，m p s 电力整流管、m o s f e t 、i g b t 、m c t 是 最有发展前景的器件【3 3 1 。今后研制工作的重点将是进一步改善m p s 的软反向恢 复特性，提高i g b t 和m c t 的开关频率和额定容量，研制智能m o s f e t 和i g b t 模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。 1 3 本文研究的主要工作 本文的主要研究工作是双级矩阵变换器的驱动电路和保护电路，针对以上的 研究内容，本论文的章节安排如下： 第一章，绪论。论述了矩阵变换器和电力电子器件的研究现状，并介绍了本 文的主要工作内容。 第二章，双级矩阵变换器的开关器件。首先介绍了双级矩阵变换器的开关器 件的选择，然后详细介绍了开关器件i g b t 的结构与特性，最后给出了开关器件 i g b t 在带有吸收电路和无吸收电路两种条件下的p s p i c e 的仿真结果。 第三章，双级矩阵变换器的驱动电路设计。首先分析了双级矩阵变换器对驱 动电路的基本要求，并采用日本三菱公司的驱动器m 5 7 9 6 2 l 设计驱动电路；结 合双级矩阵变换器的开关器件动作特点对驱动电路进行改进；并且采用开关损耗 轨迹法分析开关器件的损耗，优化了驱动电路；最后验证了驱动电路的有效性和 可行性。 第四章，双级矩阵变换器的保护电路设计。首先分析和介绍了基本的过流、 过压和过温保护电路，之后针对双级矩阵变换器设计过流、过压保护电路和散热 措施，并在吸收电路参数设计的过程中采用多目标优化算法。 第五章，实验结果。介绍了实验样机中的驱动和保护电路，并给出了实验曲 线波形，验证了双级矩阵变换器的驱动和保护电路的有效性。 第六章，结论及展望。总结了全文，并对以后的工作提出了一些建议。 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器的开关器件 第二章双级矩阵变换器的开关器件 双级矩阵变换器是一种直接型交交电力变换器，具有系列优于传统交直 交型变换器的特性，如能量双向流动、正弦输入输出波形、输入功率因数可控、 功率密度大等，非常适合于交流电机调速领域【3 4 】。本章首先介绍了双级矩阵变 换器的开关器件的选择，然后详细介绍了开关器件i g b t 的结构与特性，最后给 出了开关器件i g b t 在带有吸收电路和无吸收电路两种条件下的p s p i c e 仿真结 果。 2 1 双级矩阵变换器开关器件的选择 双级矩阵变换器的拓扑结构图如图2 - 1 所示，a 、b 、c 为三相平衡电压源 输入端，a p 、b p 、q 和4 ，、或、g 六个双向开关组成双级矩阵变换器的整流 级，、名、和以、k 、形组成双级矩阵变换器的电压源型逆变级。 a b c 却p l 巾投夕乏i 知c nf 毒俅骡 了 u v w 图2 一l 双级矩阵变换器拓扑结构图 双级矩阵变换器的基本单元为能够流过双向电流并且具有阻断双向电压能 力的全控型开关器件，但是到目前为止，市场上还没有商品化全控型双向开关器 件可供使用，因此，可以采用分离元件搭建。 近年来，由于芯片制造技术和微电子技术的发展，陆续出现许多新型复合全 控型器件，它们利用耐压值、电流密度大、导通输入阻抗高、响应速度快的单极 型器件m o s f e t 作为输入级，因而特性优越，具有输入阻抗高、工作速度快、 通态电压低、阻断电压高、通态电流大等优点，成为当前电力半导体器件发展的 主导方向。其中，i g b t 具有通态电流密度高，正反向阻断能力强，以及导通和 关断双可控等优点。由于采用了m o s 栅，一方面i g b t 不但能输出特性完全可 控，而且控制过程中消耗的功率也非常低，与功率m o s f e t 一样，维持导通或 4 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器的开关器件 关断的能量很小，只是在状态转换时需要消耗一定的能量：另一方面i g b t 具有 跟g t r 一样的功率处理能力，跟功率m o s f e t 类似的开关特性，用它代替g t r 应用于p w m 变频调速，可使载波频率提高一个数量级，从而达到2 0 k h z 以上1 3 5 】。 而且随着n p t - i g b t - 等技术的出现，i g b t 已经实现了两大突破：一是能承受 2 0 0 0 v 的最大耐压；二是5 0 k h z 的最高硬开关频率。因此，可以说i g b t 是一 种主流开关电力电子器件。这些特点使i g b t 具有更大的发展潜力。 正是由于采用了大功率全控型器件i g b t ，使双向开关得以简化，双级矩阵 变换器的各项优点也逐步得到了体现。图2 2 列出了几种常见的基于i g b t 和二 极管搭建的双向开关配置t 叫。 图2 2 ( a ) 所示的二极管桥式组合的双向开关由一个位于中间的i g b t 和4 个快速恢复二极管组成。这种组合拥有最少的可控开关器件数，可降低电路成本。 但是这种组合不足之处在于电流在开关过程中需要流经3 个开关器件，必然造成 损耗增大。另外由于缺少反向阻断器件，电流方向很难控制，无法保障安全换流。 图2 2 ( b ) 和( c ) 这两种双向开关配置最为常见，也最容易实现。图2 2 ( b ) 中：+ 两个i g b t 的发射极相连一起，两个集电极则分别与输入侧与输出侧 相连。由于i g b t 不能承受较大的反向电压，因此并联快速恢复二极管为双向开 关提供反向阻断能力。这种配置具有两方面优点：一方面，可以独立控制电流方 向；另一方面，由于电流只流过两个开关器件，开关器件的导通损耗也随之减小。 但这种配置由于两个发射极相连在一起，因此，每个双向开关至少需要一个隔离 的驱动电源。 ( c ) i g b t j 妻基极结构( d ) 逆阻式i g b t 反并联结构 图2 - 2 矩阵变换器双向开关构成 图2 - 2 ( c ) 的配置是两个i g b t 的集电极相连在起，相对于( b ) 组合， 5 中南大学硕士学位论文第二章双级矩阵变换器的开关器件 其最大的优点在于可以进一步减少隔离驱动电源的数量。采用这种配置可使三个 发射极相连的i g b t 可以共用一个隔离驱动电源，因此，整个矩阵变换器只需要 6 个隔离驱动电源。这种双向开关的组合也得到了比较广泛的应用。 如图2 - 2 ( d ) 所示的是一种新型的双向开关的配置，采用了具有能够承受较 大反向电压的新型电力电子器件逆阻式i g b t ( i 强i g b t ) 。由两个逆阻式i g b t 反并联而成，其最大的优点就是能有效地减少双向开关的元件数量，相对于以上 双向开关的配置元件数量减少了5 0 以上，降低了主电路的复杂度。经过检测， 逆阻式i g b t 的开关损耗略大于普通的i g b t ，但配置( d ) 的总开关损耗是所有 配置中最低的。因此，这种配置也越来越多的被人们采用。 2 2 lg b t 结构及特性 2 2 1lg b t 的结构 i g b t 是绝缘栅极晶体管的简称，是上个世纪8 0 年代出现的一种新型的电力 电子器件。本质上i g b t 可以看成一个场效应晶体管在漏极和漏区之间加载了一 个p + 层。因此i g b t 既具有功率m o s f e t 的高速开关及电压驱动特性，又具有 双极型晶体管的低饱和电压特性并且易实现较大电流的能力，是近年来电力电子 领域中发展最快的一种器件，被广泛应用于各种电力变换装置中【3 6 1 。 i g b t 是典型的三端器件，具有栅极g 、集电极c 和发射极e 。其结构图如 图2 1 所示。i g b t 的结构与m o s f e t 相类似，唯一不同之处是在m o s f e t 的 漏极上追加了一个p + 层。正是由于p + 层的加入，使i g b t 具有了一些特性。 发射极栅极 幽划剀也一 pp 漂移区 缓冲区 注入区 集电极 图2 - 1i g b t 的结构图 i g b t 的理想等效电路图如图2 - 2 所示。在理想状态下，i g b t 可以简单的看 成是一个聊叩晶体管与功率m o s f e t 连接而成【3 3 1 。当栅射极之间加正电压使 6 中南大学硕士学位论文 第二章双级矩阵变换器的开关器件 m o s f e t 导通后，p n p 晶体管基极与集电极连接到m o s f e t 的导通电阻，处于 低阻态，则p n p 晶体管导通。当栅极与发射极间加载电压为零时，m o s f e t 关 断，p n p 晶体管基极电流切断，处于断路状态，i g b t 无电流通过。因此，i g b t 可以和m o s f e t 一样，通过栅极的电压信号控制导通与关断。在i g b t 的导通 状态下，p + 层与n 层形成一个p n 结，两端加载了正向电压，从而传导性能产 生变化，使i g b t 在导通条件下具有极低的导通电阻，利于增大i g b t 的容量。 p n p 晶体管 图2 - 2i g b t 理想等效电路 2 2 2ig b t 的基本特性 i g b t 的基本特性分为静态特性和动态特性，下面就分别对这两种特性进行 详细介绍。 1 静态特性 i g b t 的静态特性主要包括伏安特性、转移特性和开关特性。 i g b t 的伏安特性 i g b t 的伏安特性是指以栅射极电压e 为参变量时，集电极电流与栅极电 压之间的关系曲线【3 9 1 。如图2 3 所示，i g b t 的基本输出特性曲线，分为三个区 域，正向阻断区、主动区( 放大区) 和导通区( 饱和区) ，工作区域主要是在第 一和第三象限。集电极输出电流t 受栅射极电压u o , 的控制，越高，毛越大。 当 2 0 v ， 则会引起i g b t 的栅射极间击穿。因此，实际应用的i g b t 的栅射极电压值一般 为1 0 1 5 v 。 i g b t 的栅射极电压珞。为零时，i g b t 就会关断。为了减小关断时间，尽快 抽取p n p 管中存储的电荷，可在栅射极间加负偏压一圪目。负偏压一圪e 受i g b tg e 间最大反向耐压的限制，实际应用中一般取5 1 0 v 。 。 图3 2i g b t 输出特性 双级矩阵变换器逆变级的单个桥臂中，上半桥臂的i g b t 开通，会产生一个 比较高的d 珞f 衍，此d e 西可能会引起另外一个i g b t 的瞬间误导通，产生 额外的损耗。而且d 圪占西通过米勒电容c 品感应出的感应电流 i m = c c g d d t 。该电流流过栅极阻抗时产生压降 = i m ( 如+ 心( 胛) ) + ( k + k ( 胛) ) = 警一 ( 3 - 1 ) l 上式中心( 肿) 为i g b t 内部栅极电阻，k ( 胛) 为电路的寄生电感。 当超过i g b t 导通的阈值时，i g b t 就会导通。通过式( 3 - 1 ) n - - l 知， 栅射极电压f 的幅值的大小取决于米勒电容c 岛的大小、栅极驱动电阻、i g b t 的内部栅极电阻、负栅压和d f d t 的大小。所以我们可以通过采取减小米勒电 容、适当降低驱动电阻和加一定负栅压的方法，使保持在阈值( 晴) 以下， 保持i g b t 的关断状态，提高电路的抗干扰能力。综合各方面考虑，在i g b t 栅 射极加一定负压是最直接有效的措施。 1 6 中南大学硕士学位论文第三章双级矩阵变换器的驱动电路 3 1 2 栅极电阻要求 。 i g b t 的开通和关断过程可以看成是栅极电阻鼹对栅射极电容g 。进行充放 电完成的，所以如的大小直接影响着充放电的时间，进而影响着i g b t 开通与 关断的时间。栅极电阻由栅极驱动电路的内阻、i g b t 栅极内阻和串联电阻三者 组成，它们三者之和直接影响着驱动波形的上升、下降率。我们可以通过选择串 联电阻达到控制栅极电阻的目的。 在开关器件的应用中，系统的效率与如的选择密切相关，心选值越小，i g b t 的开关速度越快，并且开关损耗也越小。在开关过程中，由于续流二极管反向恢 复和吸收电路的充放电电流，开关过程太快将会导致i g b t 承受过大的d i l d t ， 甚至会损坏i g b t 和续流二极管。如取值越大，i g b t 的开关速度越长，酢，的 上升、下降率减小，并且开关损耗也随之增加。还能够抑制栅极电压振荡给i g b t 带来的影响，减小集电极的尖峰电压。如果如取值过小，集电极电流的变化率 d i l d t 过大，产生较大的集电极尖峰电压。因此，在i g b t 的开关过程中，心的 选值都需要与吸收电路等性能等折中考虑。 表3 - 2 推荐的栅极电阻 表3 2 为i g b t 手册中推荐的不同的电压电流等级i g b t 的栅极电阻【3 7 1 。在 实际的器件选择中，还要考虑驱动电路的驱动功率，防止栅极电阻功率过小而被 烧毁。 3 1 3 驱动功率要求 i g b t 对于驱动电路的功率也有一定要求，驱动功率受栅极驱动负、正偏置 电压以及栅极总电荷q g 和开关频率的影响。驱动电路电源的最大峰值电流k 为 b = 等掣 2 ， 式中+ 为栅射极正偏压，一为栅射极负偏压，为驱动电路栅极电阻，恐 为模块内部栅极电阻。i g b t 的内部栅极电阻可由表3 - 3 查得。 表3 - 3i g b t 模块内部栅极电阻值 1 7 中南大学硕士学位论文第三章双级矩阵变换器的驱动电路 驱动电路的平均功率可由以下方程式得出： 只矿= ( + l - v o , ) q o f ( 3 - 3 ) 式中厂为i g b t 的开关频率，q 为栅极总电荷，可在i g b t 参数手册中查到。 3 1 4 其他要求 1 电气隔离 i g b t 多应用于高压、中大容量场合，其逻辑控制电路与主电路的电压电流 等级相差较大，必须设置严格的电器隔离措施。电气隔离的对象一般包括信号隔 离和电源隔离。工控装置与信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔 离、继电器隔离和布线隔离等。光电隔离是通过光电耦合器完成的，通过输入端 的发光源和输出端的受光器完成电器隔离；脉冲变压器通过绕于铁氧体磁芯的一 次绕组和二次绕组作为输入端和输出端实验电器隔离；继电器的线圈和触点没有 电气接触，可以利用继电器的线圈接收信号，触点发送输出信号，避免强电与弱 点直接接触，实现电气隔离；布线隔离是将微弱信号与易产生噪声污染的电路分 开布局，达到减小干扰的效果。 2 死区时间 在实际的工程中，由于开关器件i g b t 结电容的存在使得器件在开通和关断 的过程中会有一定延迟，延迟时间的大小直接制约着开关器件的工作频率，延迟 时间越小，开关器件的工作频率就越高，开关器件的性能也就越好。为了防止开 关器件开通和关断过程中的延迟造成短路或上下桥臂的直通，导致开关器件损 坏，必须设置死区时间。开关器件的零电流换流必须设置死区，但会使实际开关 器件输出的波形在过零点发生非线性畸变，畸变率与死区时间的大小有关。 死区时间的设置有两种方法：一种是通过设置电路如图3 3 ( a ) 所示。通过 设置电阻r 和电容c 的大小，得到一个r c 充放电回路。通过改变充放电时间从 而改变死区时间f n 的具体数值。但是电阻与电容的参数都会随温度的变化产生变 化，很难得到精确地死区时间。另一种是通过在控制电路的f p g a 设置死区时间。 这种方法可以得到精确的死区时间，并且简单可靠，受到广大电力工程师的推崇。 中南大学硕士学位论文第三章双级矩阵变换器的驱动电路 v 一 g n d 专 叫 v h i 厂 厂厂厂 u l ；厂 厂 厂 厂 图3 - 3 死区时i 司设置电路 3 电磁兼容性要求 电磁兼容性问题是电力电子器件过程设计中十分重要的一个环节，电磁兼容 性直接影响着电力电子器件的安全稳定的运行。在运行中的电力电子设备大多都 伴随着电磁能力的转换，对通信系统、控制系统和计算机系统为主干的电子系统 产生了巨大的负面影响。因为集成电路极易受射频影响并可能会以有害的方式影 响检波信号，通常会导致原设计的功能失效，并且可能会危及安全。因此，为了 保证驱动电路的可靠性，必须提高其电磁兼容性。可以从以下几个方面提高驱动 电路的电磁兼容性。 布局方面，首先要确定p c b 板的大小，p c b 板过大，则导线过长，阻抗增 加，成本也增加。p c b 板过小，则导线过密，容易相互干扰。确定好p c b 板大 小后，再确定特殊元器件位置。还要遵守以下规则：( 1 ) 按照电路的功能模块进 行布局，p c b 板上的输入与输出接口在两侧，使得布局信号方向尽可能保持一 致，减小相互干扰。( 2 ) 每个p c b 板中都有核心元件，布局时应当围绕其进行， 布局其他元器件要注意均匀、整齐、紧凑，元件之间的导线要尽量短且少拐弯。 ( 3 ) 在高频下的p c b 板，要考虑元件之间的分布参数对电磁兼容性的影响【5 川。 布线方面，要遵循以下几条规则：( 1 ) 输入输出端用的导线应尽量避免相邻 平行，最好在其之间加地线。( 2 ) 印制p c b 板的导线时要计算其流过电流的大小， 对于流过电流过大的要尽可能的用宽线，还要在导线上覆铜，以减小其阻抗。( 3 ) 导线在拐弯处要使用圆弧，而不能用直角或锐角，因为在高频电路中会影响电气 性能，还容易引起铜箔膨胀和脱落现象【5 6 l 。 另外，除了上面的措施之外，还可以制作多层p c b 板，四层板就是一个很 好的选择。四层板中上下两层为信号层，之问两层为电源层和地层，有效地减小 了电源信号对信号的干扰，提高了p c b 板的电磁兼容性。 1 9 中南大学硕士学位论文第三章双级矩阵变换器的驱动电路 3 2 驱动电路的设计 3 2 1 驱动电路的总体设计 根据以上要求分析，设计了双级矩阵变换器的驱动电路。其引脚分布如图 3 - 4 所示。引脚的功能在表3 4 中介绍。详细的实现在后续章节介绍。 i g b td r i v e r 图3 - 4 驱动电路引脚分布 表3 - 4 驱动电路引脚定义 g 1 g 6 双级矩阵变换器驱动电路的原理框图如图3 5 所示。为了简化图形，只画出 了一个桥臂的驱动电路的原理框图。该驱动电路可以分为逻辑输出模块和功率放 大模块，两个模块之间必须要有严格的电气隔离。逻辑输出模块的功能是输出开 关器件的p w m 脉冲，并且设置死区时间；功率放大模块的功能是对于脉冲的放 大和对i g b t 进行过流保护，并向控制电路发送故障信号。 根据图3 4 的引脚分布图和图3 - 6 的i g b t 去电路原理框图，我们对硬件器 件和芯片进行了选择。逻辑输出模块采用a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列f p g a ， 型号为e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 n ，主要完成p w m 信号处理、故障关断、死区输出等功能。 功率放大模块选择的是日本三菱公司生产的m 5 7 9 6 2 l 驱动器。采用对称分布结 构，接收通过f p g a 处理过的p w m 信号，经过功率放大，分别驱动对应的单管 i g b t 。该驱动电路采取2 4 v 供电，采用快递光电耦合器隔离进行电气隔离。 中南大学硕士学位论文第三章双级矩阵变换器的驱动电路 图3 - 5i g b t 驱动电路原理框图 3 2 2 逻辑控制电路设计 1 f p g a 器件介绍 a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列采用全铜层、低k 值、1 2 伏s r a m 工艺设计， 裸片尺寸被尽可能最小的优化。采用3 0 0 毫米晶圆，以t s m c 成功的9 0 n m 工艺 技术为基础，c y c l o n ei i 器件提供了4 , 6 0 8 到6 8 ，4 1 6 个逻辑单元( l e ) ，并具有 一整套最佳的功能，包括嵌入式1 8 比特x 1 8 比特乘法器、专用外部存储器接口 电路、4 k b i t 嵌入式存储器块、锁相环( p l l ) 和高速差分i o 能力。c y c l o n ei i 器 件扩展了f p g a 在成本敏感性、大批量应用领域的影响力。 f p g a 采用的是a l t e r a 公司的e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 n ，其内部主要由逻辑阵列块 ( l a b ) 、嵌入式存储器块、i o 单元和p l l 等模块构成，在各个模块之间存在着 丰富的互联线和时钟网络。e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 n 是一款低成本、高性价比的f p g a ， 工作频率可达2 6 0 m h z ，提供多达6 8 ，4 1 6 个逻辑单元( l e ) ；基于流行的m 4 k 存 储器块，提供多达1 1 兆比特的嵌入式存储器，可以支持配置为广泛的操作模式， 包括r a m 、r o m 、先入先出( f i f o ) 缓冲器以及单端口和双端口模式；提供最多 1 5 0 个1 8 x1 8 比特乘法器；支持各种单端i o 标准，如当前系统中常用的l v t t l 、 l v c m o s 、s s t l 、h s t l 、p c i 和p c i x 标准；支持串行总线和网络接口( 如 p c i 和p c i x ) ，快速访问外部存储器件，同时还支持大量通讯协议，包括以太 网协议和通用接口。 2 q u a r t u si i 开发系统介绍 q u a r t u si i 是a l t e r a 公司提供的f p g a c p l d 开发集成环境【5 3 1 ，于2 l 世纪初 2 l 中南大学硕士学位论文 第三章双级矩阵变换器的驱动电路 推出，其具有界面友好，使用便捷等特点。在q u a r t u si i 上可以完成设计输入、 h d l 综合、布线布局、仿真、下载和硬件测试等流程，它提供了一种与结构无 关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输入、器件编程等。q u a r t u si i 还提 供了完整的多平台设计环境，能满足各种特点设计的需要，并且完全支持v h d l 、 v e r y l o g 的设计流程。 v h d l ( v e wh i g h - s p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，超高速硬件描述语 言) 是目前广泛应用的一种硬件描述语言。v h d l 主要用于描述数字系统的结构， 行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，v h d l 的语言形式和 描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是 将一项工程设计，分成实体部分( e n t i t y ) 和结构体部分( a r c h i t e c t u r e ) ，实体部分描述 电路器件外部情况及各信号端口的基本性质，而结构体部分负责描述电路器件的 内部逻辑的内部逻辑功能。在对一个设计实体定义了外部接口之后，一旦其逻辑 功能部分开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。本设计将采用 v h d l 实现。 3 f p g a 程序编写 本文基于e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 n 型f p g a ，用v h d l 语言对驱动信号、保护逻辑、 死区控制等都进行了统一的编程。 p r ：p r o c e s s ( c l k , r e s e t ) b e g i n i f ( r e s e t = 0 ) t h e n c o u n tf 爿) ； 删【j 1 _ 0 ； e l s i f ( c l k e v e n ta n de l k = 1 ) t h e n i f ( d e t e c t = 1 ) t h e n p r = f o r e c ； i f ( p r = 0 ) t h e n c o t m t _ r = c o u n t _ _ r + 1 ； e l s i f ( p r = l ) t h e n c o 岫tk = ( ) ； e n d i f ； i f ( c o u n t _ r = 3 0 0 0 ) t h e n p r t _ r l = l ； e n di f ； e n d i f ； 中南大学硕士学位论文第三章双级矩阵变换器的驱动电路 e n d i f ； e n dp r o c e s s ； 以上段保护程序为例，当i g b t 出现过流现象时，保护电路将会向控制电路 发出报警信号。当电路的检测信号d e t e c t 为低电平时，开始计数，经过了3 0 0 0 个机器周期检测信号d e t e c t 还为低电平的话，则关断i g b t 的驱动信号，关断 i g b t 。设置了3 0 0 0 个机器周期后保护电路才动作时为了减少误动作。 4 信号逻辑仿真 通过了对引脚的定义和f p g a 程序的编写，我们在q u a r t u si i 环境下进行输 入输出信号的逻辑仿真。 ”耻“y 一坩y “f w 丫舢 柙y vw再v u吣v 堪田v q wu 删 n 几几n 几n 广 门nr n 几nn nn 几r n 厂 nnn 几几n 几nn 几n 几几n 几n 几几几广 1 0 xi to l ，t f 蚺t t - t i o 图3 - 6 逻辑信号仿真 图3 6 是对一个桥臂的i g b t 输出逻辑信号进行仿真，加入的死区时间为 3 t s ，开关频率为1 0 k h z 。 3 2 3 功率放大模块电路设计 目前，i g b t 的驱动电路形式多种多样，各自的功能也各有不同。每个芯片 生产商都会根据自己的i g b t 模块推出相应的驱动芯片。从综合考虑，还没有一 种十全十美的驱动电路。 从驱动电路的隔离方式看，i g b t 驱动器可以分为两类：一类采用光耦隔离 器，另一类采用脉冲变压器，两个都可以实现信号的传输和电路的隔离，但现在 市场上采用较多为前者【5 9 1 。 光电耦合隔离器的主要特点是输入和输出两侧都是有源的，并且能使得正向 脉冲和负向脉冲的宽度不受限制。它能简单有效地检测i g b t 的集电极电压，实 现各种情况下的过流和短路保护，并对控制电路发送报警信号。其不足之处是需 要较多的隔离电源，在双级矩阵保护器中，开关器件数量较多，所需的隔离电源 也较多。光电耦合器的速度尽管较高，但是对于输入的脉冲信号还是会有1 z s 左 右的滞后时间，不能满足某些要求较高的场合。 变压器耦合驱动器的主要特点是不需要设置专门的隔离电源、速度高，输入 与输出间的耐压值较高，且成本较低。如图3 7 所示，这时两种变压器驱动电路， ( a ) 是单个i g b t 的驱动电路，( b ) 是对于两个i g b t 的驱动电路，可以是一 个桥臂，也可以是一个双向开关。这两个驱动电路结构相对于光电耦合驱动器较 为简单。变压器耦合驱动器对于输入信号的延迟很小，为纳秒级，响应速度很快。 中南大学硕士学位论文第三章双级矩阵变换器的驱动电路 ( b ) 图3 7 变压器耦合驱动器电路 变压器耦合驱动器的缺点是无法实现自动过流保护，当i g b t 出现过流或短 路现象时，不能计时向控制电路发出报警信号，也不能实现任意脉宽输出。变压 器耦合驱动器对变压器的绕制要求严格，相对于光电耦合驱动器体积较大，对于 双级矩阵变换器这种开关器件数量较多，所需驱动器数量较多的情况，大大增加 了主电