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        風電 —— 功率單元驅動器設計

        昨天我們聊了風電產業及其中大功率的IGBT模塊的基本情況,以及風電變流器功率單元的基本架構。今天我們繼續昨天的內容,聊聊風電變流器功率單元驅動電路(也可以延伸到其他領域,原理都差不太多)的設計,希望你們能夠喜歡~

        驅動電路設計

        昨天我們有說到IGBT模塊驅動器的重要性,高性能的IGBT配套安全可靠的驅動器才能發揮出它的優勢。

        驅動級拓撲選擇

        IGBT的柵極驅動電路的拓撲分好多種,通常采用兩個按圖騰柱式(Totem-Pole)連接的小功率MOS管來產生正負驅動電壓的這種拓撲。下面我們介紹MOS Totem-Pole的幾種電路結構,具體如下:

        從上面三種電路結構來看,區別還是在驅動電阻那塊的差異。很明顯,第三種電路結構將開通和關斷電阻分開設置,這種方式會限制驅動級MOS開關期間產生的VGE(on)到VGE(off)的直通電流,并且可以分別針對開通時的過電流和關斷時的過電壓以及短路特性進行優化。

        驅動電壓選擇

        IGBT柵極驅動電壓的選擇,對于目前的IGBT來說,此電壓一般被限定在±20V,是由柵極和發射極之間的最大絕緣電壓決定的。這里我們要提到IGBT的兩大特性曲線--輸出特性曲線和短路特性曲線,如下

        輸出特性曲線 

        短路特性曲線

        當電流一定時,VCE(sat)隨著柵極電壓VGE上升而下降,所以正向偏置電壓要足夠高,可以使IGBT能夠充分飽和導通,并且飽和壓降VCE(sat)可以維持在較小值,以保證較小的通態損耗。但是,VGE的電壓也不是越大越好,當負載短路時,短路電流會隨著VGE的增加而成倍增加,IGBT的短路承受時間卻急劇減小。

        還需要注意的一點就是米勒效應,之前我們也有聊過,這里就不再贅述。

        米勒效應(Miller Effect)

         IGBT關斷時的電壓變化 

        位移電流流通路徑

        因此,為了確保IGBT的可靠關斷,在關斷時我們一般給到一個-5V~-15V的反向偏置電壓。

        柵極電阻RG的選擇

        IGBT的開關特性受柵極電容充放電的控制,而柵極電容的充放電可以通過調整柵極電阻來控制。風電變流器的功率單元,我們一般采用+15V的正偏電壓來控制IGBT的開通,-10V的反偏電壓來控制IGBT的關斷。

        IGBT的充放電示意圖如下:

        柵極電阻RG影響IGBT的方面有:開關時間、開關損耗、反向偏置安全運行區域、短路電流安全運行區域、EMI、dv/dt、di/dt和續流二極管的反向恢復電流,所以選擇合適的RG是必要的。

        RG的增大會使開通和關斷的時間增長,導致相應的損耗增加;而RG變小會使開關時的di/dt增大。

        開通

        關斷

        大家可以從下表看下RG對于IGBT開關特性的影響:

        所以,需要根據IGBT的實際電流密度、電壓等級以及工作頻率等具體因素選擇合適的驅動電阻RG。

        驅動信號隔離

        驅動器主要有兩大功能,除了對輸入的控制信號進行放大外,還要求其實現低壓控制回路和高壓功率回路之間的安全可靠隔離,來防止高壓部分的功率模塊高速開關過程中產生的干擾影響到驅動器的正常工作。我們經常使用的隔離方式有電平轉移、光耦隔離、光纖隔離和脈沖變壓器隔離等。這四種隔離方式具有不同的性能,從而決定了它們的應用場合,下表是四種隔離方式的比較:

        根據實際的應用場景,選擇合適的隔離方式。如果采用光纖隔離的方式,由于其完成信號傳輸的是光信號,可以實現完全的電氣隔離、抗電磁干擾能力強,且延遲很小,非常適合電壓隔離高、電磁干擾強、傳輸距離遠的場景。

        驅動電源設計

        在功率模塊的驅動電路中,能量除了一小部分供給邏輯器件、處理器等元器件外,剩余的絕大部分都消耗在柵極驅動部分。首先,驅動電路的電源不僅要能夠提高足夠的驅動功率,還必須有準確的正負柵壓來滿足高頻率的開關要求,尤其是在IGBT并聯的場合更是要注意;其次,驅動電源必須為驅動器提供可靠的電氣絕緣。在高壓大功率的場合應用中,一般采用高隔離電壓等級的開關電源。

        ?驅動功率和門極電流計算

        之前我們提到過,如下:

        IGBT——驅動功率計算

        ?DC/DC變換電路的設計

        大功率IGBT驅動器中的DC/DC變換器一般采用半橋式、推挽式或者全橋式的電路拓撲。

        直流變換的尾巴

        關于驅動部分涉及到的內容我們就聊到這里,總之,任何一個環節都要根據實際的應用來選擇,并且做到環環相扣,使得整體設計達到較為理想的狀態。

        今天的內容希望你們能夠喜歡,下篇我們繼續~

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