三電平逆變器IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)

摘    要：本文針對(duì)IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，提出并分析了一種廉價(jià)的、適用于三電平逆變器的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，并給出了設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題。
關(guān)鍵詞：三電平逆變器； IGBT； 驅(qū)動(dòng)保護(hù)

引言
由于三電平電壓型逆變器對(duì)主元件的耐壓要求可降低一半，而且輸出波形好，因而一出現(xiàn)就顯示了巨大的優(yōu)越性。本設(shè)計(jì)方案中三電平電壓型逆變器由12個(gè)IGBT單元和鉗位二極管等組成中性點(diǎn)鉗位電路。有三個(gè)電平(+E、0和-E)輸出，在直流中間環(huán)節(jié)電容分壓對(duì)稱時(shí)，就有27種不同的輸出狀態(tài)。由于主電路中有12只IGBT，因此需要12路驅(qū)動(dòng)電路。如果每路驅(qū)動(dòng)電路采用獨(dú)立開關(guān)電源+驅(qū)動(dòng)模塊+IGBT的常用模式，則成本非常高。在這種情況下，就很有必要設(shè)計(jì)一種廉價(jià)、實(shí)用且有效的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，既能降低成本，又不至于削弱電路的各種性能。

IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求
作為三電平逆變器的主要功率開關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路顯得尤為重要。理想的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能：
1. 要求驅(qū)動(dòng)電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓Vge。正向Vge越高，器件Vces越低，越有利于降低器件的通態(tài)損耗。但為了限制短路電流幅值，一般不允許Vge超過+20V。關(guān)斷IGBT時(shí)，必須為器件提供-5V~-15V的反向Vge，以便盡快抽取器件內(nèi)部的存儲(chǔ)電荷，縮短關(guān)斷時(shí)間，提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。
2. 要求驅(qū)動(dòng)電路具有隔離輸入輸出信號(hào)的功能，同時(shí)要求在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部信號(hào)傳輸無延時(shí)或延時(shí)很小。
3. 要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻Rg，用以控制Vge的前后沿陡度，進(jìn)而控制器件的開關(guān)損耗。Rg增大，Vge前后沿變緩，IGBT開關(guān)過程延長(zhǎng)，開關(guān)損耗增加；Rg減小，Vge前后沿變陡，器件開關(guān)損耗降低，同時(shí)集電極電流變化率增大。因此，Rg的選擇應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量、額定電壓及開關(guān)頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。
4. 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有過壓保護(hù)和dv/dt保護(hù)能力。當(dāng)發(fā)生短路或過流故障時(shí)，理想的驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)該具備完善的短路保護(hù)功能。

IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)以上對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)及短路保護(hù)電路的討論，本文設(shè)計(jì)了一種具有完善短路保護(hù)功能的隔離式IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，如圖1所示。
驅(qū)動(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路由兩部分組成：載波部分和驅(qū)動(dòng)部分。
載波部分由74HC02、晶振、74LS74、75452和脈沖變壓器組成。利用調(diào)制解調(diào)的原理，脈沖變壓器既利用高頻信號(hào)傳遞能量，同時(shí)又對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。由或非門74HC02和晶振構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生2MHz的高頻載波信號(hào)。由于脈沖變壓器工作在推挽方式下，因此需要兩個(gè)相位相差180男藕?，D觸發(fā)器74LS74的兩個(gè)反相輸出端提供兩個(gè)反相信號(hào)驅(qū)動(dòng)75452。75452是—個(gè)集成驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM1和故障信號(hào)GZ1同時(shí)為高電平時(shí)，與門74HC08輸出高電平，75452選通，高頻載波信號(hào)驅(qū)動(dòng)變壓器，將驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)傳遞到驅(qū)動(dòng)部分。當(dāng)PWM1和GZ1中有一個(gè)為低電平時(shí)，封鎖高頻載波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)級(jí)靠?jī)?chǔ)存的能量維持工作。同時(shí)，脈沖變壓器工作在推挽方式下，還可以將驅(qū)動(dòng)器75452的壓降鉗位在2倍的工作電壓(即10V)上，以防止過電壓燒壞75452。
驅(qū)動(dòng)部分由VD1~VD6、C5~C8、VZ1、VZ2、C1、R1、V2、R3、V3和V4組成。其中，VD3~VD6作為全橋整流，C5~C8為濾波電容，將高頻載波信號(hào)中的能量?jī)?chǔ)存在電容中，用來提供驅(qū)動(dòng)功率。VDl和VD2實(shí)現(xiàn)反向全波整流，既避免了與正向全橋整流競(jìng)爭(zhēng)，又可用于分辨驅(qū)動(dòng)信號(hào)。VZ1和VZ2用于穩(wěn)壓，為后級(jí)電路提供一個(gè)穩(wěn)定的