基于IGBT斩波电路的大功率负载研究

1、 基于IGBT斩波电路的大功率负载研究孟繁伟，常铁原，张 苑（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071000）摘 要：介绍一种用于实际工程的大功率负载，该负载基于IGBT斩波电路。与传统模拟负载相比，该电路的特点是电流大，功率高。采用C8051F340产生占空比及保持时间可调的PWM波，用于调整电流大小。为IGBT设计了可靠的隔离电路，将CPU部分与IGBT部分隔离。设计了稳定的保护电路，可以避免IGBT烧毁。为IGBT并联选择了合适的均流电阻，控制其导通程度。选择高频率IGBT作为开关器件，使其工作在100KHz左右。利用单片机控制PWM的保持时间，保护IGBT的同时增加了测量的准确性

2、。关键词：IGBT斩波；大功率；可调可控【中图分类号】TN710 【文献标识码】BHigh-power IGBT Chopper Circuit in the Application of the Low Voltage Electric Leakage CheckMENG Fan-wei, CHANG Tie-yuan, ZHANG Yuan(Electronic and Information Engineering of Hebei University, Baoding 071000, Hebei, China)Abstract: Introduces a high-power loa

3、d for actual engineering, This load is based on IGBT chopper circuit. Compared with the traditional virtual load, the circuit is characterized by large current, high power. Using C8051F340 produces duty ratio and maintain time adjustable PWM wave that is used to adjust the current value. Designed fo

4、r IGBT, reliable isolation circuit will be isolated from CPU parts with IGBT. The stable protection circuit can avoid IGBT burned. For IGBT parallel choose the appropriate resistance, which can control the conduction level. Choose high-frequency IGBT as switching device to work at about 100 KHz. MCU

5、 controls the retention time of the PWM, which can protect the IGBT while increasing the measurement accuracy.Keywords：PWM chopper；High power；Adjustable and controllable1 引言PWM斩波电路因其功率因数高、可控性好而广泛用于电力电子行业。作为斩波电路的优势开关器件1，绝缘栅双极晶体管IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，具有通流能力强、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动功率小等特点。IGBT是一种电压控制型电力电子器

6、件，通过控制栅极电压能稳定控制其导通与关断，从而实现电压调节。IGBT的驱动与保护是其主要研究问题，尤其是大功率条件下，如果IGBT的导通和关断时间增加，必然造成损耗增大。良好的驱动电路应使其处在较理想的开关状态且禁止误导通。主要研究IGBT斩波电路在大功率模拟负载中的应用，说明驱动电路和保护电路的设计思路。2 斩波电路设计2.1 器件选择在实际工程中，常需要在市电条件下用大功率负载产生短时间大电流。该电流往往可调2，以便用于对某些设备的测试和研究。本模拟负载单路能提供最大50A的电流，功率达14KW并可根据实际需求多路并联。IGBT选择仙童公司的FGY75N60SMD，该器件集射间耐压600

7、V，内含保护二极管，可防止IGBT导通瞬间的浪涌。TC=25时最大通过电流为150A，TC=100时为75A。由于极间存在纳法级电容，而IGBT输入阻抗无穷大，因此栅极注入一定正电荷使栅极电压大于导通电压，IGBT即可导通，且导通程度深，开关特性好。栅极耐压值为20V，栅射导通压降典型值为5V。根据该管特点及电路设计要求，选择IR公司的IR2125作为IGBT驱动芯片。该芯片采用先进的高压集成电路和无闩锁CMOS技术制作，源电流达1A，汇电流达2A，高侧浮动电源电压VB达525V，输出栅极驱动电压为1218V。自举模式时，能工作在几十赫到几百千赫的频率范围内。输入电流典型值为4.5A，易驱动。

8、由于内部采用了自举技术，驱动芯片可以驱动工作于高端和低端的N沟道MOSFET或IGBT。具欠压自锁功能，可实现自身欠压保护。输入逻辑电平兼容2.5V、5V和15V，输出与输入同相。多路IGBT并联时，需多个IR2125作驱动器，为弥补单片机输出的PWM驱动能力不足的问题，选取高速单通道光耦6N137作第一级驱动器。其转换速率达10Mbit/s，集电极开路反相输出，扇出系数为8，工作电流典型值为5mA，输出典型值为13mA，延迟时间为75ns。2.2 驱动功率计算输入电容Cies、输出电容Coes和反向电容Cres是影响IGBT驱动功率的三个重要参数。IGBT完全开启，需使Cies和Cres充满

9、电，Coes完全放电。这些参数的影响，最终体现在栅极电荷Qg上，因此驱动电路设计中最重要的参数是Qg。单个IGBT所需驱动功率可据公式（1）得到。 （1）其中f=100KHz，Qg=248nC，U=15V，则功率P=0.37W。2.3 栅极电阻选择驱动芯片与IGBT栅极间串接电阻Rg在驱动电路3的设计中十分重要。原因如下：（1）IGBT栅极和射极间存在结间电容，栅极回路中存在寄生电感，若不串接栅极电阻，栅极回路在脉冲的激励下会产生强烈振荡，串接电阻可加速衰减。（2）若不串接栅极电阻，IGBT导通会产生电压钳位，驱动芯片功耗变大，易烧毁。（3）IGBT的开关速度受栅极电阻影响，栅极电阻小则开关速

10、度快，损耗小；反之则速度慢，损耗大。经测试，Rg为20时PWM波形好，芯片发热量小。（4）栅极电阻的功率由IGBT的栅极驱动功率决定，功率降在Rg上能够降低驱动芯片的功耗。单路IGBT驱动功率为0.37W，选择1W电阻即可。2.4 栅极驱动电流IR2125输出电流典型值为1A，因此要将栅极电流限定在1A以内。栅极电流可据公式（2）得到。 （2）当栅极电阻Rg=20时，IG=0.75A，IR2125能够满足驱动所需。2.5 欠压自锁电路与自举工作模式IR2125内部集成欠压自锁电路4，当管脚VB与VS间电压低于限定值10.4V时，欠压自锁电路便将输出关断。当电压值再次高于限定值后，输出保持自锁状

11、态，直到输入状态发生变化输出才回到正常状态。D1为自举二极管，C6为自举电容5。电源通过D1向C6充电，C6储存足够电荷以保证驱动能力。为使管脚VB与VS间电压高于限定值，应使开关频率大于几十赫兹，否则C6上的压降会造成两管脚间的电位差低于限定值。D1选取快恢复型二极管FR307，其最大反向电压1000V，最大平均正向电流3A，最大正向浪涌电流200A，最大反向漏电流10A，最大反向恢复时间500ns。FR307反向漏电流小，可减少C6对电源的反馈电荷。图1为其中一路驱动电路，R1为限流电阻，R2为上拉电阻。图1 单路驱动电路2.6 IGBT电路设计IGBT的一个重要参数为最大开关频率，该参数

12、由关断延迟td(off)确定，据应用经验，最小开关时间约为关断时间的40倍。该管的关断延迟典型值为136ns，据经验值可得最大开关频率约为180KHz，因此该器件满足开关频率要求。此外，设计IGBT电路时还应注意以下几点：（1）栅极耐压值为20V，栅极和地间对接两个18V/1W稳压管，使栅极电位限制在18.7V内。（2）栅极输入阻抗为无穷大，充电电荷可长时间存于输入电容中，易引起误导通。栅极和地间接一个10K/0.25W电阻，极间电容和电阻便形成回路，将电荷快速释放。（3）驱动电路提供100KHz方波，栅极电容快速充放电，在栅极和地间接10F电容保护栅极6。（4）集射间加滤波电容，实验证明容值

13、为0.033F时滤波效果好，D4和D5起保护和续流作用。（5）多路直接并联时，分流不均现象会导致分流大的管子烧毁，加入功率电阻进行均流7，实验证明均流电阻压降为管子门槛电压的1/5为好。此时电流为50A，门槛电压为5V，据欧姆定律得均流电阻RCS为0.02。当某一路电流增大，均流电阻电位增大、栅射间电压减小、导通程度变小、集射间电流减小，最终各路实现均流。负载电阻选取大功率绕线电阻，实验证明，1s内6/300W的绕线电阻RL即可满足50A电流状况，电阻可根据实际并联得到。调整占空比可改变电压和电流有效值，计算过程如式（3）（5）所示。 （3） （4） （5）D为PWM波占空比，U0为整流后电压

14、VL，I0为直流下单路电流，P为直流下单路功率，U为改变占空比后电压，I为改变占空比后单路电流。据上述公式，5路IGBT并联可提供100750A电流。图2为其中一路斩波电路，为了保护主板芯片，加入隔离型升压DC-DC，将斩波电路和其余部分的公共端分开并升压至+15V。利用三端稳压芯片78L05产生+5V电压。图2 单路IGBT斩波电路3 PWM波发生3.1 发生器件选择PWM波跳变沿理想程度是影响IGBT开关特性的重要因素。采用内部集成可编程计数阵列PCA的单片机C8051F340作为PWM发生器，PCA提供增强的定时器功能，更加精确，跳变沿更加理想。3.2 原理与算法PCA由一个专用的16位

15、计数器/定时器和5个16位捕捉/比较模块组成，有8位、16位两种脉宽调制器，为得到较高频率，选择8位脉宽调制器。PWM输出信号频率取决于PCA的时基，使用捕捉/比较寄存器PCA0CPLn能改变PWM输出信号的占空比。当PCA的低字节PCA0L与PCA0CPLn中的值相等时，输出置高；当PCA0L中计数值溢出时，输出为低。8位脉宽调制方式产生的PWM频率由式（6）给出。 （6）f0为PCA时基信号，选择24MHz时钟，则PWM频率为93.75KHz。占空比D是高电平在一个周期内所占的时间比，此处由式（7）给出。 （7）PCA0CPHn为初值，据公式可得占空比调节范围为0.39%100%。程序中设

16、置占空比为变量，根据占空比反算出PCA0CPHn并对其赋值。利用定时器中断控制PWM波保持时间。4 小结设计了稳定的斩波电路，加入了合理的保护，多路并联使用可满足大功率需求。利用单片机产生占空比和保持时间可调的PWM波，能够有效控制回路中电流大小，从而满足不同设备的要求。为某些市电设备的在线测试提供了一个解决思路。参考文献：1 王兆安, 黄俊. 电力电子技术M. 北京: 机械工业出版社, 2008.2 刘志刚, 和敬涵. 基于电流型PWM整流器的电子模拟负载系统研究J. 电工技术学报. 2004, 19(6): 74-77.3 王永, 沈颂华. 一种简单的IGBT驱动和过流保护电路J. 电测与仪表, 2004, 41(4): 25-27.4 乔纳森亚当斯. 使用电流感应IR212X栅极驱动ICJ. 电子质量, 2002, (5): 63-65.5 楚斌. IR2110功率驱动集成芯片应用J. 电子工程师, 2004, 30(10): 33-35.6 王世杰. IGBT栅极驱动技术探讨J. 光学精密工程, 2000, 8(1): 76-78.7 查申森, 郑建勇, 苏麟等. 大功率IGBT并联运行时均流问题研究J. 电力自动化