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    新型IGBT驅動器測試分析及其在同步發電機
    開關式勵磁系統中的應用

    周增堂 1 ,胡紅彬 2 ,李明乾 3 ,石耀宇 4

    (1.安康市水利水電土木建筑勘測設計院,陜西安康 725000 ; 2.西安理工大學電力工程系,西安 710048 ; 3.陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局,陜西咸陽 712000 ; 4.西北水電勘測設計院,西安 710065)

    摘要: 介紹了 IGBT 驅動的要求,列舉了目前廣泛使用的 IGBT 驅動器的一些不足,提出了測試 IGBT 驅動器性能的幾種方法,并對新型 IGBT 驅動 TX-KA101 進行了測試。測試結果表明, TX-KA101 輸出驅動電壓合理,具有 IGBT 過流三段式保護,慢關斷時間和過壓保護閥值可調。最后將 TX-KA101 應用到同步發電機開關式勵磁系統中,起勵和 10% 擾動試臉表明 TX-KA101 滿足該系統 IGBT 驅動的要求。

    關鍵詞: IGBT 驅動 ;TX-KA101; 三段式過流保護 ; 開關式勵磁

    中圖分類號: TM761 文獻標識碼: A

    1 引言

    IGBT 具有電壓型驅動、驅動功率小、開關速度高、飽和壓降低和可耐高電壓、大電流等優點,是較理想的大功率開關器件。為保證 IGBT 可靠地工作和保護 IGBT 不被損壞, IGBT 的驅動和保護電路十分重要。

    2 IGBT 驅動

    2.1 IGBT 驅動及保護基本要求

    IGBT 的驅動及有效保護主要有兩個方面,即正常工作狀態下的驅動和故障狀態下的保護。

    ( 1 )正常工作狀態下,要保證 IGBT 能可靠開通和關斷,并且開通和關斷速度能達到電路要求。一般要求開通正偏壓為 15 V ± 10% ,關斷負電壓為 – 2~– 10 V 。在高壓大電流情況下,由于干擾而可能使得截止的 IGBT 誤導通,推薦高壓大電流電路中的 IGBT 關斷負電壓為 – 8 V– 12 V ;

    ( 2 )當 IGBT 出現過電流故障時,很可能其導致偏離安全工作區,造成 IGBT 的損壞,這時要求保護起到切實作用。 IGBT 只能承受很短時間的短路電流,其能承受短路電流的時間隨飽著和壓降的增加而延長。當 IGBT 出現過流故障時,如果立即將其關斷,將產生很高的關斷電壓,所以比較理想的短路保護方案是所謂的“三段式保護”:出現過電流時立即降低柵壓 ( 或增設一個小的死區時間 ) ,使過電流值不能達到最大短路峰值,這樣可以避免 IGBT 出現鎖定損壞。隨著柵極電壓降低, IGBT 進人放大區,其飽和壓降增加,在短路承受時間延長的這段時間內,判斷是否是真故障過電流。如果是瞬時過電流,可在過電流結束后立刻將柵壓恢復到正常值;如果真過電流,可在延長時間的末端將柵極電壓慢降到零或一個較小的負電壓,使得過電流被封鎖。從以上可以看出,“三段式保護”的優點是可以區別長期故障和瞬時故障,長期故障時可以將 IGBT 慢關斷;瞬時故障時可以在故障消除后讓 IGBT 恢復正常工作。

    2. 2 目前廣泛使用的 IGBT 驅動器存在的問題

    目前 IGBT 廣泛使用的集成驅動器主要有富士公司的 EXB841 和三菱公司的 M57962 。實踐中證明, EXB841 主要有以下缺點:

    ( 1 )關斷負電壓為 – 5V 且不可調。如前所述, – 5 V 關斷電壓往往不能實現快速可靠關斷大功率 IGBT 的要求;

    ( 2 )集射極電壓保護閾值過高且不可調。 EXB841 的集射極電壓保護閾值在 7. 5 V 左右,遠高于 IGBT 器件的飽和壓降,實踐證明,此值過高;

    ( 3 )慢關斷時間無法調節。 M57962 的主要缺點是它需要兩個供電電源,這樣不僅增加了驅動電路的復雜性,也增加了驅動電路的不可靠性。而且它適用的最大開關頻率為 20 kHz ,在追求高開關頻率的場合下開關頻率可能達不到要求。

    2. 3 新型 IGBT 驅動器— TXKA101

    TX–KA101 (以下簡稱 KA101 )是單管大功率 IGBT 模塊驅動器(可驅動 300A/1200V 或 600A/600V IGBT 一只 ) ,其原理框圖如圖 1 所示。它具有三段式完善的過電流保護功能,可根據需要調節盲區時間、降柵壓斜率、延遲判斷時間、軟關斷的速度、故障后再次啟動的時間,使用單一電源,外部元器件少。

    圖 1 KA101 原理框圖

    3 驅動應用電路

    驅動應用電路如圖 2 所示。圖中,電容 C 1 設置短路故障發生后,驅動器再次輸出驅動信號的間隔時間; C 7 設置保護的盲區時間; C 2 設置初始柵壓開始降低到驅動器開始軟關斷 IGBT 之間的時間; C 3 設置將柵壓降低所用的時間。柵壓降低后,驅動器的 10 腳輸出低電平預警信號,接一個光耦 Photo2 ,將此信號傳送給控制器。 C 8 設置慢關斷開始時到驅動電壓降到 0 的時間。慢關斷開始后,驅動器封鎖輸人 PWM 信號。慢關斷開始的時刻,驅動器的 12 腳輸出低電平報警信號,經過光藕 Photol ,將信號傳送給控制器。 C 4 、 C 5 、 C 6 是濾波電容。 R 5 設定觸發過流保護動作電壓。

    圖 2 驅動應用圖

    4 驅動測試及其輸出波形

    4. 1 正常輸出波形的測試

    正常輸出波形的測試主要測試驅動器正常情況下的輸出幅值,以確定驅動器的驅動性能。測試電路如圖 2 所示。設置 DSP 輸出頻率為 10 kHz ,占空比為 0. 5 的方波信號。此時KA101 的輸出如圖 3 所示。

    圖 3 正常時KA101 的輸出波形

    由圖 3 可以看出, KA101 輸出正電平約為 13. 8 V ,負電平約為 – 8. 2 V 。這使得 KA101 能良好地實現 IGBT 正常工作時的驅動與關斷。

    4. 2 短路時候輸出波形的測試

    4. 2. 1 突然短路時輸出波形的測試

    突然短路測試主要測試 IGBT 突然短路時,驅動器能否及時正確判斷短路和如何處理短路。短路測試電路如圖 4 所示。為了保護 IGBT 不致損壞,我們采用大功率直流電源來進行模擬短路試驗 . 圖中 R 為限流電阻 ,C 為保護電容, Dhv 為快恢復二極管, K 為短路開關。

    圖 4 短路測試電路

    測試時, DSP 輸出 10 kHz 方波信號。突然閉合開關 K ,這時當 KA101 輸出高電平時, IGBT 發生過流。記錄 K 閉合前后 KA101 輸出波形如圖 5 所示。由圖中看出, KA101 的輸出為先降柵壓到 8. 5 V 左右,再延時判斷短路后慢關斷,并閉鎖源信號。慢關斷后 KA101 的輸出電壓約為 - 4. 8 V 。所以,在 IGBT 發生過電流情況時, KA101 能實現三段式過流保護。

    圖 5 IGBT 突然短路時 KA101 輸出波形

    4. 2. 2 長時間短路瀏試

    長時間短路測試主要測試 IGBT 長時間短路時,驅動器對短路的判斷和處理情況。由于 IG-BT 短路可能是短時的,所以一般要求驅動器在判斷 IGBT 短路并動作的一段時間后將驅動器源信號的閉鎖解除。長時間短路時候測試電路同圖 4 。測試時, DSP 輸出 l0 kHz 方波信號,閉合開關 K ,記錄 KA101 的輸出波形如圖 6 所示, KA101 本身帶有短路動作再啟動功能,并且再啟動時間可調。從圖中可以看出, IGBT 長時間短路時, KA101 能在再啟動時間內閉鎖控制器的輸出,而后重新開放。

    4. 2. 3 KA101 在同步發電機開關式勵磁中的應用

    開關式勵磁系統主回路工作原理是 :

    由于 IGBT 在開關式勵磁中起到控制勵磁電壓大小的重要作用,并且一旦 IGBT 損壞,勵磁系統將不能工作,發電機必須停機,所以,為了發電機的正常運行,必須使 IGBT 能正常開斷和不被損壞,就必須選擇優良的 IGBT 驅動保護電路。

    圖 6 IGBT 長時間短路時 KA101 輸出波形

    本文以 TMS320F2812 DSP 作為勵磁控制器,設計開關式勵磁系統總體結構如圖 7 所示。發電機機端電壓和定子電流分別經 PT,CT 后經交流調理電路調理,提供給 DSP 交流采樣,可以測得發電機的機端電壓 U 和定子電流 I 。勵磁電壓和勵磁電流經過直流調理電路后提供給 DSP 直流采樣,獲得勵磁電壓 U L 和勵磁電流 I L 。同時,機端電壓和定子電流信號分別經 PT,CT 后經方波形成電路后形成同頻率方波信號后分別提供給 DSP 的兩個捕獲單元,用來測發電機頻率 f 和相角,再利用已經測得的 U I ,計算得發電機的有功功率 P 和無功功率 Q 。并采用定時器比較中斷和周期中斷發定周期 PWM 脈沖。

    圖 7 同步發電機 IGBT 開關式勵磁系統總體結構

    本文在實驗室的一臺 3 kW 小型發電機上初步試驗了 KA101 在同步發電機開關式勵磁系統中的應用。勵磁控制器采用 DSP ,控制回路如圖 2 所示。在實驗室的小型同步發電機作零起升壓試驗和 10% 上擾、下擾試驗,記錄波形分別如圖 8 ,圖 9 和圖 10 所示。從圖 8 中可以看出,同步發電機起勵時間為 1. 2 s ,起勵過程中機端電壓上升平穩,勵磁電流有小幅擺動,起勵成功后機端電壓和勵磁電流平穩。從圖 9 和圖 10 中可以看出,發電機 10% 上擾、下擾幾乎無超調,調節速度快,調節平穩。

    圖 8 起勵波形

    圖 9 上擾 10% 波形圖

    圖 10 下擾 10% 波形圖

    5 結論

    針對目前廣泛使用的 IGBT 驅動器的缺陷,本文測試了新型 IGBT 驅動器—— KA101 。測試結果表明, KA101 能良好地驅動 IGBT ,當 IGBT 發生各類故障時,能可靠地對改變輸出,同時給控制器發出 IGBT 故障信號,從而保護 IGBT 不被損壞。在此基礎上將其應用到同步發電機開關式勵磁系統中,取得了良好的效果。

    參考文獻 :

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