适用于间接矩阵变换器的IGBT驱动保护电路设计

1、适用于间接矩阵变换器的IGBT驱动保护电路设计梅杨，常娜卿，李正熙（北方工业大学电力电子与电气传动工程中心，北京100144）摘要：本文针对间接矩阵变换器中开关器件多，电路拓扑复杂的特点，设计了一种适用于间接矩阵变换器的绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）的驱动保护电路。该电路基于M57962厚膜电路，并设有隔离电源和阈值电压调节电路，可以有效实现矩阵式变换器各个开关器件的隔离供电，以及对各开关器件的过流保护阈值的精确控制和调节，可推广运用于不同型号的开关器件。实验结果表明IGBT器件的开通时间为350ns，关断时间为700ns，在过

2、流保护阈值电压设定为1.45V（对应本文采用IGBT器件的工作电流为50A）时，器件可在4s内完全关断。从而证明了本文设计的驱动保护电路可以安全可靠地实现IGBT的开通、关断和过流保护，保障系统的稳定运行。 关键词：间接矩阵变换器；绝缘栅双极型晶体管；M57962；驱动保护电路中图分类号：TM461 文献标识码：AThe Design of IGBT Driving And Protection Circuit for Indirect matrix converterYang Mei, Naqing Chang, Zhengxi Li(Power Electronics and Motor

3、Driving Engineering Center, North China University of Technology Beijing 100144)Abstract: A driving and protection circuit for insulated gate bipolar transistor (IGBT) is designed in this paper. This circuit is applied in the indirect matrix converter, which has much more complex topology and higher

4、 number of switching devices than conventional PWM converters. The circuit is based on M57962 hybrid integrated circuit with isolated power and threshold voltage regulator circuit, which is able to supply the isolated power for each switch device in the matrix converter and regulate the over-current

5、 protection threshold voltage of each switch device precisely. It also can be applied to different types of switching devices. The experiment results show that the turn-on time of IGBT is 350ns, and the turn-off time is 700ns. Once the over- current protection threshold voltage is set to 1.45V (that

6、 means the current is 50A), it only takes 4s to turned off the device completely. The results demonstrate that the designed driving and protection circuit can turn on/off IGBT and realize over-current protection safely and reliably, ensuring the stable operation of the system.Key words: Indirect mat

7、rix converter; insulated gate bipolar transistor; M57962; Drive and Protection circuit1 引言和传统的交-直-交变换器相比，矩阵式变换器具有输入功率因数可自由控制、能量传输可逆、无需大容量直流储能环节等优点，得1到国内外学者的广泛关注。其中，传统的矩阵变换器存在换流过程复杂，保护困难等缺点，而间接矩阵变换器除具有传统矩阵变基金项目：国家自然科学基金（50907002）作者简介：梅 杨(1981-)，女，博士，讲师，主要研究电力电子与电力传动常娜卿(1984-)，女，硕士研究生，主要研究电力电子与电力传动李正熙

8、(1955-)，男，博士，教授，主要研究工业自动化系统、电气传动技术、控制工程换器的优点外，还具有类似双PWM的优点，成为有可能较早实现工业应用的电路拓扑。但是，间接矩阵式变换器源于自身特点对电力电子开关器件的驱动保护电路提出了更高的要求。首先，间接矩阵式变换器的电路拓扑中不存在自然续流通道，通常需要采用多步换流策略才能实现双向开关之间的换流，但换流时间过长会直接影响变换器的输出波形质量和电压传输比2。同时由于其控制算法较为复杂，换流过程中由于电磁干扰等问题很容易出现开关的误动作，产生过电压和过电流，进而损坏电力电子器件。因此其对器件的驱动性能和保护电路的设计要求较高。其次，间接矩阵式变换器的

9、开关器件数量多且大多不能共用驱动电源，这样大大增加了变换器供电电源的复杂性和设计难度，因此需要在驱动保护电路中进行相应的隔离供电设计。传统的IGBT驱动保护电路较为成熟，并且广泛运用于工业应用领域，目前常用的可分为分立元件搭建电路和采用集成芯片电路。分立元件电路虽然能够根据IGBT的需要，合理的选择元器件参数，但是它的集成度较低，功率密度较小，很容易受到电磁干扰。而集成式电路则可以克服这一问题。目前常用的两种集成式厚膜电路包括日本富士公司生产的EXB840系列和三菱公司设计的M579系列。文献3，4介绍了基于这两种芯片的典型电路，这些芯片虽内部集成有过流过压保护功能，但是保护动作电压阈值较高且

10、不可调。在实际工业应用中，随着采用IGBT的型号不同，过流保护电压阈值的设置也随即不同，为了扩大IGBT保护电路的通用性，提高保护电路的安全可靠性，就需要保护电压阈值可精确控制和调节。本文针对上述问题，设计了一种基于M57962厚膜电路的IGBT驱动保护电路，此电路可有效驱动开关器件，迅速可靠地实现器件的过流保护，而且也具有独立的电源供电，可实 现各开关器件的电气隔离，完全满足间接矩阵式变换器的控制需求，同时还可推广应用于其他开关器件较多的电路拓扑，如传统矩阵式变换器、多电平变频器等。2 驱动保护电路设计IGBT是压控器件，有一个容性输入阻抗，其门极驱动条件密切地关系到它的静态特性和动态特性。

11、为使IGBT能可靠工作，其驱动电路需满足以下要求5：提供良好的隔离，避免短路故障发生；提供足够的栅极充、放电电流，以使栅射极电压UGE迅速达到稳定的正反相偏置状态，尽可能缩短器件在非饱和区的停留时间，以降低开关损耗。过流问题是IGBT和设备安全运行的重要因素，对于1200V100AIGBT来说，导通压降为1.7V左右，图1是IGBT 模块2MBI100UA-120在不同运行温度条件下的IC (VCE)特性曲线。由此可见，当驱动电压VGE=15V时，无论在常温或高温条件下，VCE=1.6V左右时，集电极电流IC已为额定电流。IGBT模块短时间最大可承受两倍的额定电流，但是经常承受过电流会使器件过

12、早老化6。而驱动模块M579系列，内部虽集成有过流保护，但保护电压阈值比较高，集射电压将近10V时保护才动作，但此时IGBT对应的电流早已超过100A的额定值，使其烧毁，所以需要改进。因此，在本文设计的电路中加入了比较器、稳压管和可变电阻来调整保护动作的阈值，如图2所示。设计的电路主要包括阈值电压调节电路、隔离电源部分和M57962及外围电路等。图1 IGBT在不同运行温度下的IC (VCE)特性曲线Fig.1 IC (VCE) characteristic curve of IGBT underdifferent operating temperatures图2 驱动保护电路Fig.2 Dr

13、iving and protection circuit2.1 M57962及外围电路M57962是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路。在驱动模块内部装有2500V高隔离电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护输出端子，具有封闭性短路保护功能。采用双电源供电（+15V和-10V），输出电流峰值为5A，可以驱动1.2KV/100A的IGBT模块，电路框图如图3所示。图3 结构框图Fig.3 Block diagramM57962内部具有短路保护功能，检测电路检测到检测输入端1脚为15V高电平时，模块判定为电路短路，立即通过光耦输出关断信号将入M57962的输入信号关断，从而使其

14、5端输出低电平将IGBT的GE两端置于负向偏置，可靠关断。同时输出误差信号使故障输出端8端为低电平，从而驱动外接保护电路工作，经23ms延时后，如果检测到13端为高电平，则M57962恢复工作。 2.2 阈值电压调节电路由于保护电路的主要作用是通过检测IGBT集射极电压来判断IGBT是否处在过流状态。如果过流则及时关断IGBT（输出低电平）防止IGBT损坏。如图2所示，当IGBT的集电极C端电压高于比较器反相端电压输入时，输出电压为高电平15V，使得M59762的1脚为15V，模块判断IGBT短路，使得IGBT可靠关断。工程上常采用调整串联在IGBT集电极与驱动电路之间的二极管个数的方法来调整

15、7IGBT的保护阈值电压。其存在的问题是只能阶梯式地调整，而0.7V的动作电压反映在IGBT上时，C端将产生很大的变化，很难做到8精确设定过流保护的临界动作点。而且串联的二极管会因流过其电流大小的不同而产生不同的电压降，从而影响IGBT关断电压的精准性和关断的可靠性。而本文通过调节可变电阻R6来调节比较器的反相输入端电压，从而达到精确调节保护电压阈值的作用，阈值电压在010V内可调。UCE保护阈值电压降低并且精确可调，降低了保护电路本身的故障率，增加了过流保护的可靠性。 2. 3 电源部分在IGBT驱动保护电路中运用了隔离电源设计，一方面是因为驱动电路的电源要与控制部分的电源完全隔离开， IG

16、BT发射极的电位接在高压端，是不断变化的，为了防止高压侧电压变化对驱动电源的影响，清除地线回路噪声。另一方面，在间接矩阵变换器中一个双向开关由两个带有反并联快恢复二极管的共集电极或共发射极IGBT连接而成，驱动电路电源的地端又与IGBT的发射极接在一起，所以只有发射极接在一起的IGBT才能共用一个隔离电源。一般情况下由普通IGBT共射极式双向开关组成的矩阵式变换器需要9个驱动用隔离电源，而IGBT共集电极式双向开关三个射极相连可以共用1个隔离电源为驱动电路供电，因此整个矩阵变换器需要6个隔离电源。在本设计中使用了DC/DC 24V转+15V/-15V隔离电源模块。M57962的供电电压为+15

17、V高电平和-10V低电平，利用稳压管给M57962提供+15V和-10V电源。3 驱动保护电路的实验平台为了测试所设计的IGBT驱动保护电路的性能，本文分别采用Buck电路和短路实验电路9对IGBT的驱动能力和过流保护能力进行实验测试。3.1 驱动能力测试本实验采用传统的Buck电路，如图4所示。图4 驱动实验原理图Fig.4 Testing setup for driving circuit该电路在IGBT关断后可以通过续流二极管D2使负载电流形成回路，这样在IGBT有驱动电压时电流能迅速流过，因此可以通过观察电流的滞后时间来判断IGBT在有驱动电压时的驱动时间。当IGBT关断时，通过观察流

18、过IGBT的电流的滞后时间可以得到其关断时间。 3.2 保护能力测试在IGBT瞬间短路过流时，检测驱动保护电路是否能快速对IGBT门射极输出一个-10V的关断信号。如图5所示，实验由两块相同的驱动保护电路和一个2MBI100UA-120二合一IGBT构成。实验原理为：1号驱动电路开始时为关断信号，并且1号IGBT 集射极UCE两端与阻感负载并联，2号IGBT一直保持通态。因此，在1号IGBT没有导通时，电源、阻感负载、2号IGBT形成回路。当电路平稳后，给1号IGBT加驱动电压使其开通2035us，此时1号、2号IGBT同时导通，电路短路，瞬时电流增大，测试此时的IGBT电压电流波形可以验证I

19、GBT能否快速被保护。图5 过流保护实验原理图Fig.5 Over-current protection diagram for IGBT4 实验结果及分析图6是IGBT开通时的门射极电压UGE、集射极电压UCE和集电极电流IC波形。从图中可以看出IGBT的基极驱动电压UGE滞后驱动信号近400ns，当UGE上升到一定值后集电极电流IC开始上升，同时集射极电压下降，IGBT开通。IGBT的开通时间为350ns。图7是IGBT关断时的UGE、UCE和IC波形。从图中可以看出IGBT的基极驱动电压UGE滞后驱动信号近800ns，集电极电流IC在基极驱动电压UGE下降到一定值时开始下降，此时UCE电

20、压上升，IGBT关断。IGBT的关断时间为700ns。从图6和7可以得出，驱动电路能够快速开通和关断IGBT。图8是保护实验的UGE、UCE和IC波形。设定保护阈值电压为1.45V，对应的IGBT的保护电流为30A，直流电源电压为40V。当电路达到稳态时，给1号IGBT加驱动电压使其开通，此时电路为短路状态，从图中可以看出在1号IGBT导通短路时IC电流明显上升，经过约4s后达到保护电流30A，延时约1s后保护电路开始将IGBT的UGE电压拉至低电平，试图箝制集电极电流幅值，并抑制短路过程中IGBT的功率损耗。当IC电流上升到最大值50A后开始下降，此时由于电压被瞬时关断，电压变化率很大，因此

21、UCE存在尖峰电压且峰值较大，随着IGBT被关断，UCE电压等于电源电压。从检测到短路过电流到关断IGBT用时不超过4s。从而可以得出，在检测到过电流后，保护电路能够实现快速可靠的关断IGBT。图6 IGBT开通波形（t=400ns/div）Fig.6 IGBT turn-on waveform（t=400ns/div）图7 IGBT关断波形（t=400ns/div）Fig.7 IGBT turn-off waveform（t=400ns/div）图8 保护实验波形（t=5.00s/div）Fig.8 Experimental waveform of protection（t=5.00s/div）5 结论本文设计并实现了一种基于M57962厚膜电路的适用于间接矩阵式变换器的IGBT驱动保护电路。该电路集成度高、功率密度大。可精确控制并调节开关器件的过流保护阈值，有效实现矩阵式变换器各个开关器件的隔离驱动。实验结果表明IGBT器件的开通时间为350ns，关断时间为700ns，在过流保护阈值电压设定为1.45V时（对应的IGBT的工作电流为30A），IGBT器件可在检测到过电流后4s内完全关断。由此可以证明本文设计的驱动保护电路既可以迅速有效地驱动IGBT开关器件，又可以安全可靠地实现IGB