IGBT模块并联 篇1
大功率高频电解脉冲加工的工作电流已达到3k A~5k A以上[1],现有的IGBT模块尚无法单独提供如此大的电流负载,需要用几个IGBT模块并联工作。由于器件参数和功率回路阻抗上的差异,IGBT并联应用时会产生严重的电流失衡现象,很容易造成电源失效。
让IGBT并联工作一直是在实际应用中一个难以逾越的难题。根据A.de Castro等人的研究,采用并联模块的开关电源因阻抗差异造成的并联支路上的电流差别约为7.5%。而实际导通时间的不同步会使并联支路上的电流差达到15%,甚至可为37.5%。通常采用的方法是事先筛选参数尽可能相同的IGBT,并降级使用IGBT模块。但由于并联IGBT的失效依然比较频繁,其驱动技术一直受到研究人员的极大关注[2,3]。利用先进的数字控制技术测量、控制IGBT模块瞬态关键特征为解决IGBT并联问题提供了一种新方法。
2 IGBT模型分析
Valenzuela等对单个IGBT开关瞬态过程进行了详细的分析。他们将IGBT的导通和关断过程细分为8个阶段。其中开通期为4个阶段:导通延迟阶段、集电极电流上升控制阶段、集射极电压下降控制阶段、趋于稳定导通阶段;关断期的4个阶段为关断延迟阶段、集射极电压上升控制阶段、集电极电流下降控制阶段、趋于稳定关断阶段。可以通过栅极驱动电压vGE及集射极电压值来判别IG-BT处于哪个工作区间。同时,通过控制栅极驱动信号vGE达到控制IGBT集电极电流过冲以及电磁干扰的目的。图1为其IGBT瞬态识别模型,这里为IGBT集电极电流、为IGBT集射极电压。
3 锁相同步驱动电平的均流机制
如果能够使所有的IGBT同时导通和关断,则可以最大限度地使并联的IGBT模块共同分担负载电流。本文提出的均流技术的指导思想是先对并联IGBT各支路的工作波形边沿进行识别,然后基于状态识别模型计算规则的数字式锁相控制,保证所有并联支路上的IGBT同步导通和关断。
3.1 锁相式同步开关机制
根据IGBT开关特性可知,IGBT模块的导通延时时间随栅射极电容值变化。为使IGBT模块同时导通,需要进行试触发测试,得到同样触发信号下各支路IGBT模块集电极电流延迟导通、关断时间的长短。利用数字式锁相技术方法,检测各IGBT模块集电极电流信号的上升沿与下降沿。以一路上升沿、下降沿为标准参考信号,其它路信号按此信号锁相输出。应用频率比较器比较锁相输出信号的频率与标准信号的频率、相位,产生相应的提前或滞后调整指令,误差信号控制的数字式PWM发生器会修改数字PWM调节器中寄存器中的数值,调整脉宽输出。调整的结果会使两信号导通的上升沿、下降沿趋于一致。与同步导通控制相似,利用一路关断的下降沿信号为锁相器的外部参考信号,调整另外几路并联模块的导通时间的长短,保证各支路IGBT模块的同时关断。
3.2 在VHLD-ASM状态机上的实现
本文提出的方法需要多个独立的驱动信号源。目前先进的可编程硬件控制器在实现多路脉冲型号的控制与运算方面有巨大优势,是本方法实施的首选器件。图2为基于CPLD器件实施算法的状态转移图。
从状态1时刻为IGBT开始导通时刻,该时刻与栅极驱动沿的相位差,就是该IGBT模块的开通延时。由于在驱动电压不变的情况下,对栅极电容充电的时间基本不变。该延迟时间在短时间内可以认为与负载电流无关。调整策略是按相位差的大小比例调整驱动信号的相位角。在调整IGBT导通、关断相位一致后,开始处理各IGBT模块上的电流幅值。通过判别IGBT开始导通的时间点及电流上升速度、关断的时间点等参数值,得到并联的各IGBT对驱动信号的集电极电流上升率的影响。提高驱动电压会提升集电极电流上升率,最终提升模块在总电流中的份额水平,反之,降低驱动电压降减少模块在总电流中的份额水平。调整关断信号的负电平幅值可控制关断时间及关断尖峰大小。基于状态识别的均流机制需首先在半载下识别IGBT的工作状态,通过调整驱动信号的相位和幅值,使IGBT能够均与承担负载电流,然后再闭合接触器开关进入到工作状态。这样,无论器件间的参数差异有多大都可保证能够在同一支路中使用。由于该算法始终实时监测各IGBT模块的同步性,在发生故障时,也会按工作顺序,保证IGBT同时关断,顺序关断所有的IGBT。
4 仿真结果与分析
按照提出的锁相同步与变驱动电平的均流机制,并在SIMPLORER环境下对提出的方案进行了仿真验证。如图3所示,主回路3个并联IGBT模块的单端斩波电路,控制系统为基于VHDL-ASM模型的锁相控制与变电平驱动控制电路。
4.1 同相位驱动仿真
图4为向3个模块提供相同的门级驱动信号时,各IGBT上的负载电流波形。由于电路和器件参数上存在差异,IGBT实际开通和关断的时间差别很大,且先开通支路及后关断支路上流过的电流非常大。电流偏差程度也与文献[2]的结果相吻合。
4.2 主动移相驱动仿真
根据实际的开通及关断延迟,采用主动驱动技术,对驱动脉冲进行移相后的仿真结果如图5所示。由于保证了导通与关断的状态同步,各IGBT管上的电流偏差已经有了明显改善。
5 结论
本文提出的基于瞬态识别模型的IGBT开关主动驱动方法,建立在IGBT模型的动态分析基础上。应用VHDL-AMS技术实现了IGBT集电极电流开关的锁相环算法及修改驱动信号幅值,改变集电极电流上升率大小来调整各并联模块均衡分担总电流的状态转移算法,具有良好的收敛性。仿真实验结果也验证了设计思路的正确性。
摘要：在分析IGBT模块瞬态特性参数的基础上,提出了一种基于IGBT开关状态识别机制的并联IGBT模块主动驱动方法,并采用混合电路仿真方式进行了验证。该方法通过监测各支路IGBT的驱动和集射极电压值,识别出模块当前工作状态下的参数值。提出的IGBT集电极电流锁相控制算法通过调整驱动信号的延迟,保证各IGBT模块开关动作的真正同步以均衡各支路上的电流。仿真实验验证了所提机制的正确性。
关键词：状态识别,主动驱动,IGBT并联,仿真
参考文献
[1]高嵩,史政记,何宁,等.高频脉冲电解加工电源MOSFET并联技术研究[J].电力电子技术,2005,39(4):97-99.
[2]S.Park,T.Jahns.Flexible dv/dt and di/dt Controls Methodfor Insulated Gate Power Switches[J].IEEE Transaction onIndustry Applications,2003,l39(3):657-664.
[3]J.Vinod,B-S.Suh,T.Lipo.High Performance Active GateDrive for High-Power IGBT′s.IEEE Transaction on IndustryApplications[J].1999,35(5):1108-1117.
[4]R.Letor.Static and Dynamic Behaviour of Paralleled IGBTs.IEEE Transactions on Industry Applications[J].1992,8(2):395-402.
[5]C.Wong,K.Priest.Current Sharing for Paralleled IGBTsUsing Statistics Method[J].IEEE Ind.Applicat,1996(3):1418-1424.
IGBT模块并联 篇2
关键词：绝缘栅双极性晶体管；驱动模块；2SC0435T
随着电力电子技术的发展，IGBT（绝缘栅双极性晶体管）得到了广泛应用。IGBT具有耐高压、耐大电流、高速和低饱和压降等特点,在高压变频器、风机变流器、太阳能并网逆变器等电力电子产品中得到广泛应用。驱动电路作为控制电路和功率半导体器件之间的桥梁,其性能决定着系统的可靠性,驱动电路设计不仅要有极高的可靠性和良好的电气隔离,还必须要关注电磁兼容、成本等诸多因素。本文详细分析瑞士CONCEPT公司第二代IGBT驱动模块2SC0435T特性及原理,并介绍其典型应用和设计要点。
1. 2SC0435T基本功能
2SC0435T是瑞士CONCEPT公司推出的基于其SCALE-2驱动内核的双通道、大功率驱动模块,与该公司广泛应用的上一代产品2SD315A相比,体积更小、有效管脚更少、集成度更高、可靠性更高、驱动能力更强、功能更多,有更广泛的应用范围及前景,能驱动目前市面上所有耐压小于1700V的IGBT,这款驱动模块内嵌的并联功能使得它支持驱动模块的并联,同时它还支持多电平拓扑结构,可应用于大功率高压变频器、逆变电源等行业。该驱动模块主要由输入逻辑驱动转化接口（LDI）、智能门级驱动（IGD）和隔离型DC/DC电源变换三部分组成。驱动模块内部基本框图如图1所示。LDI是将驱动模块输入的PWM信号进行整形和调制处理后,将驱动信号传递到变压器,通过变压器传递到IGBT侧驱动电路部分,同时也把通过变压器传递过来的IGBT侧驱动电路故障信息解析；LDO是将驱动信号进行解调和放大以驱动IGBT,在驱动IGBT的同时通过集成电路启动对IGBT的过流和短路保护等功能；隔离型DC/DC电源变换器是为驱动电路提供直流电源,最大驱动功率为4W, 输出驱动峰值电流可达到35A,隔离型DC/DC电源具有隔离交流4000V的能力。
2. 关键技术分析
2.1专业集成电路
作为IGBT驱动电路的核心元件,2SC0435T采用了SCALE-2驱动内核,相比其上一代同产品2SD315A,具有更高的集成度,采用的全新设计的专业集成电路（ASIC）,分离元件降低了60%以上,降低成本的同时亦降低EMI,提高性价比。标有615N的芯片是infineon公司的双路N沟道MOSFET,应用于隔离型DC/DC电源原边变换电路中,标有2101S芯片是CONCEPT公司专门设计的LDI芯片,该芯片集成度极高,包括了模式选择、逻辑控制、死区时间产生、脉冲调制、封锁时间设置及故障锁存等任务,标有2114S的是IGD芯片,其主要功能是脉冲调制、放大、过流及短路保护、有源钳位等,标有220NO3MD的芯片是infineon公司的双路N沟道MOSFET,应用于隔离型DC/DC电源副边变换电路中[5]。ASIC芯片数量较第一代驱动内核产品有了明显减少,从而 PCB板设计上有更大的灵活性,在驱动模块顶层放置元件,在驱动模块底层放置大面积覆铜来提升散热性能和优化电磁兼容设计。
2.2有源钳位功能
2SC0435T较该公司第一代产品新增加的重要功能是有源钳位,有源钳位是一种钳位技术,即当IGBT的集电极和发射极之间电压即Vce超过一个预设门槛,有源钳位电路将会把功率管部分地打开,从而令功率管的集电极和发射极之间电压得到抑制,使得功率管保持工作在线性区,基本的有源钳位方法是在IGBT的集电极和门极之间用瞬态抑制二极管（TVS）建立一个反馈通道。2SC0435T设计了公司特有的高级有源钳位功能,方法是将反馈信号同时送进驱动模块IGBT侧的ACLx管脚,图2是2SC0435T应用电路中IGBT侧电路,分析电路,当图2中20电阻右端的电位超过1.3V时,驱动模块内部的MOSFET就会渐进地进入关断状态,这样可以增加有源钳位的有效性,而且也可以减少TVS管的损耗,当图2中20电阻右端的电位超过20V时,内部的MOSFET就会全部关闭。二极管D31、D41、D51选择耐压超过35V和整流电流值大于1A的肖特基二极管,D11和D21选择TVS管,根据IGBT电压等级和直流母线电压选择,选择不同的Rac1和Cac1可以得到不同的有源钳位的效果,在实际应用中确定这两个元件的选型以优化有源钳位效果。
2.3驱动信号一致性传输和隔离
IGBT通常工作在大电流和高电压应用场合,在实际应用中,驱动模块直接和高压侧IGBT相连接,由于IGBT工作期间di/dt和dv/dt 非常大,干扰严重,从而在电路设计中,必须将IGBT驱动侧电路和驱动信号输入侧电路进行电气隔离,隔离方式多采用磁隔离或者光纤隔离,在驱动模块设计中,鉴于磁隔离（一般采用变压器）具有延时时间短、工作寿命长、一致性好等优点,大功率驱动模块多采用磁隔离的方式。由于驱动模块输入的PWM信号频率范围很宽,可以从0HZ到100kHZ以上,变压器难以无失真传输这种宽频率范围的信号,所以必须对输入信号进行调制,2SC0435T驱动模块沿用了第一代内核产品,采用边缘调制的方法实现信号传输,在边缘调制基础上,内嵌的并联功能使得该驱动模块非常适合应用于IGBT并联设计,驱动信号延时上,2SC0435T采用了全新设计SCALE-2驱动内核,延时时间降低为80ns€?ns,较其SCALE-1驱动内核的350ns延迟有明显降低。图3是用示波器捕捉到的2SC0435T输入信号波形和输出信号波形以测量模块输入信号和输出信号延迟时间,示波器使用带宽200MHz泰克四通道隔离示波器,曲线3是驱动模块输入驱动信号波形,该波形高电平大约在+15V,即驱动IGBT导通电平是+15V,该波形低电平大约在-10V,即驱动IGBT关闭电平是-10V，曲线2是驱动模块输出驱动信号波形,两者之间时间上差大约80nS,即模块延迟时间大约80nS。
2.4保护及故障输出
理想情况下IGBT等效电路如图4所示,是一对PNP双极性晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管,在门极和发射极加正电压使功率MOSFET导通,PNP晶体管的基极和集电极间就等于连接上了低电阻,从而使PNP晶体管处于导通状态,此外如果在门极和发射极加0V或者负压,则MOSFET关闭,从而使PNP晶体管处于关闭状态,IGBT应用设计中必须引入门极和发射极过压保护,集电极和发射极过压保护以及IGBT过流和短路保护。
2SC0435T内部集成了有源钳位电路,这样在应用电路设计中按照图2所示的电路参考图即可实现有源钳位功能,从而实现了集电极和发射极过压保护。
IGBT过流或者短路故障将导致集电极电流Ic迅速增大,集电极和发射极之间电压Vce与集电极电流Ic成正比。2SC0435T通过检测Vce实现IGBT的过流和短路保护,电路原理图如图5所示。
ASIC芯片2114S内部集成了一个比较器和一个150A恒流源。比较器的同向端通过电阻电容及二极管电阻检测Vce电压,比较器反向端电位阀值Vth是通过外接电阻Rth设定的,比较器反向端电位阀值Vth计算公式是：
Vth[V] = Rth[k]€?50[A] （1）
在IGBT关闭时三极管Q1导通,电容Ca放电,而在IGBT开通时三极管Q1关闭,如果IGBT过流或者短路故障发生,集电极电压Vce将上升,通过Rce和Rvce给电容Ca充电,二极管Dm阴极接到VISO电源+15V处,二极管阳极电位最高在大约15.3V,电容Ca直接与比较器同向端接在一起,比较器同相端电位随集电极电压Vce的继续升高而升高,当该电位超过比较器反向端电位阀值时,比较器翻转,输出高电平,保护电路关断IGBT。
为使驱动模块2SC0435T更具有通用性,设置响应时间的电容Ca没有集成在驱动模块内部,响应时间即从IGBT开通时刻起,到集电极电压检测到故障生效的这个时间区域,响应时间的设定是为了防止IGBT在刚导通但尚未饱和时过流保护电路误动作,一般设置在10S之内。电阻Rth用来设定比较器关断的阀值,推荐选择门槛大约在10V,根据不同的母线电压选择电阻Rce,使得它流过的电流在0.6mA-1mA,Dm选择耐压值大于40V且漏电流小的肖特基二极管,电阻Rvce选择120K,电容Ca根据响应时间按照实际需要和电阻Rth配合选择,图6是用示波器捕捉的驱动信号波形和驱动模块输出波形以测量响应时间,曲线2是驱动模块输入驱动信号,曲线3是在响应时间内驱动模块输出驱动信号,Rth选择75 k,电容Ca选择33pF,脉冲宽度大约是9S,即响应时间大约是9S。
3.典型应用设计及应用要点
随着大功率电力电子逆变技术的迅速发展,在交流电机驱动领域,大容量的中高压变频调速技术得到了普遍的应用,高压电动机一般指额定电压超过3kV的电机,利用高压变频器可以实现无级调速,既能满足负荷对调速系统的需要,还可以大幅度节约能源和降低成本。高压变频器拓扑结构主要由多管直接串联两电平型、二极管钳位型、飞跨电容型和单元级联型等。级联型高压变频器以其控制方式简单、输出谐波含量低和可靠性高等因素得到了广泛的应用,图7是该类型高压变频器功率单元的主电路图,二极管D1-D6组成了三相全桥整流电路,电阻R1-R3一般选择大功率水泥电阻,起到直流均压和提供放电回路作用,电容C1-C3一般选择400V电解电容,起到滤波和为负载提供无功功率的作用,Q1-Q4组成全桥逆变电路,Q1和Q2一般封装在一个IGBT内构成逆变电路左桥臂,Q3和Q4组成逆变电路右桥臂,功率单元最大输出电流取决于选择的IGBT集电极电流最大值。
2SC0435T作为一种大功率驱动模块,适合驱动中、大功率的IGBT,输出驱动峰值电流可以达到35A,功率可以达到4W,有两个通道,可以驱动一个桥臂的上下桥臂,上下桥臂不允许同时开通,即要存在死区时间,通过将MOD管脚直接接地即选择了直接模式,在该模式下两个通道各自独立,需要外部控制器添加死区时间,如果将MOD管脚通过电阻R接地,驱动模块就选择了半桥模式,这种模式下,INA管脚是驱动信号,INB管脚是使能信号,死区时间TD由MOD脚的接地电阻R决定,计算公式是：
漏极开路的SO1,SO2管脚反应了故障状态,在没有故障时,该管脚输出高阻态,如果发生IGBT过流或者短路等故障,保护电路动作,故障将立刻传递到SO1,SO2管脚上,该管脚输出低电平,由于是漏极开路,可以将这两个脚接在一起反映一个桥臂的故障状态,也可以单独连接以能准确找到故障通道。故障信号输出到SO管脚之后,经过一个阻断时间TB,故障输出管脚SO将自动复位至高阻态,阻断时间是通过在TB管脚和地之间接入一个电阻RB,通过电阻RB阻值的不同设置阻断时间TB,计算公式是：
在2SC0435T实际应用设计中还应该注意以下几点：
（1）虽然此驱动模块内部集成了电源短路保护,但在实际调试过程中,功率管615N还是比较容易损坏,在应用中要注意。
（2）在选择决定响应时间的电容Ca时,要选择温度漂移小、精度高的电容,电容容值不易过小,否则容易受干扰而引起驱动模块保护电路的误动作。
（3）驱动模块输出到IGBT的连接线要尽量短,如果采用电缆连接,最好选择扁平电缆或者双绞线,要使得线路杂散电感尽量小,必要时可以在电缆上加磁环
（4）在设计IGBT并联时,驱动模块和IGBT尽量要选择一个批次的产品,这样一致性较好,不推荐使用驱动模块的一个输出通道驱动两个IGBT功率管,否则在抗干扰和隔离上很难做好。笔者在利用IGBT并联技术设计高压变频器850A功率单元时取得了很好的效果,用两个驱动模块输出通道分别驱动IGBT,输入驱动信号采用一个,由于2SC0435T驱动模块之间一致性非常好,IGBT并联应用上较其它驱动模块效果好。
（5）在设计使用2SC0435T驱动模块的电路板时,必要在一些位置做开孔处理以增大爬电距离,同时可以防止灰尘堆积。
IGBT驱动技术是电力电子技术的核心技术之一,可靠和高性能的驱动模块是关键,2SC0435T作为一种技术先进的大功率驱动模块,较其第一代产品有了明显提高,该驱动模块在IGBT过载保护、有源钳位以及电气隔离等方面的技术革新将最大限度发挥IGBT的优良特性和简化驱动电路设计,必将得到广泛的应用。
参考文献
[1] 张黎,季占兴,姜奋平．智能化IGBT驱动模块2SD315A关键技术分析[J]大功率变流技术.2009
[2]CT-CONCEPT Technology Ltd．IGBT Parallel Operation [J] CT-CONCEPT Technology Ltd..2009
[3]马文忠,李 岚．基于电平控制技术的大功率高压变频器研究[J]电力电子技术.2006
[4]陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].北京：中国电力出版工业.2007
IGBT模块电磁兼容性设计 篇3
（1）IGBT模块的优化布局
变流器主电路在空间产生的磁场强度随输入、输出母线中通过电流的强弱而变化，同时IGBT模块产生的空间交变电磁场的强度随其两端电压和电流突变的剧烈程度而变化。这些干扰信号很容易耦合到IGBT模块的驱动线上。通过合理的布局，可以使在功率驱动端附近和驱动线一带的空间交变电磁场强度最小，即干扰信号最小。设计中应采取以下措施。1）从滤波电容到IGBT模块的直流连接采用双层镀锡铜板叠加技术。2）输入、输出母线与外部直流输入端和外部交流输出端采用铜条连接。
这种结构不仅可以减小寄生电感，而且对于IGBT模块产生的空间交变电磁场起到了很好的屏蔽作用。
（2）IGBT模块的接地设计
当IGBT模块的栅极驱动或控制信号与主电流共用一个接地回路时，在开关过渡过程中，由于主电流具有很高的di/dt，功率电路漏电感上有感应电压存在。一旦发生这种情况，电路中应该为“地”电位的各点实际上会处于高于“地电位”几伏的电位上。这个电压会出现在IGBT模块的栅极，从而使IGBT模块有可能误导通。为了避免这个问题的出现，需要慎重考虑栅极驱动与控制电路的设计。在设计中应采取以下措施。
1）下桥臂每个栅极IGBT驱动电路都采用了分离绝缘措施，且各自的电源零线按在IGBT模块的辅助端子上，不与主电流共用电流支路，以消除接地回路噪声问题。2）在功率器件关断期间，使用负的反向偏置电压，以避免噪声干扰。
经过电磁兼容性设计的变流器，在实际运行中可以获得良好的技术性能指标，对此可以得到以下结论。
1）变流器所处的电磁环境十分复杂，带来很多电磁干扰，良好的电磁兼容性设计是变流器安全可靠运行的关键。