變頻器主回路中驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

今天我們來聊一聊變頻器主回路中的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，當(dāng)然，實(shí)際使用中，驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合應(yīng)用的具體需求，所以今天講到的不一定全面，但可以以此來做延伸~喜歡的話，還請(qǐng)大家多幫忙拉點(diǎn)人氣，謝了

01驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

下面我們借助例子來聊聊變頻器主回路中開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，電路圖如下：

如圖所示，驅(qū)動(dòng)脈沖WG3#低電平有效時(shí)，B點(diǎn)為低電平。當(dāng)IGBT正常開通時(shí)，CE間電壓較低(一般為1.7～3V，這里假設(shè)為2V)，W點(diǎn)電位較低，C點(diǎn)是15V的高電平，則A點(diǎn)經(jīng)3k和510歐電阻分壓得到1個(gè)電壓約為5V(2+0.7+2)，該電壓不足以導(dǎo)致反向器翻轉(zhuǎn)，點(diǎn)F保持高電平，三極管不導(dǎo)通，F(xiàn)O為高電平;若IGBT發(fā)生短路故障，CE間電壓VCE增大，導(dǎo)致A點(diǎn)電平升高，達(dá)到反向器的翻轉(zhuǎn)電平，從而使F點(diǎn)為低，三極管導(dǎo)通，F(xiàn)O輸出為低，從而產(chǎn)生故障信號(hào)，同時(shí)B點(diǎn)也變成高電平，將該IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。D點(diǎn)到B點(diǎn)的反饋起個(gè)增強(qiáng)穩(wěn)定的作用，去掉影響也不大。

下圖是一個(gè)改進(jìn)的模塊驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路：

和之前的主要差別在于前者中IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)致A點(diǎn)電平升高，達(dá)到反向器40106的翻轉(zhuǎn)電平時(shí)使F點(diǎn)為低，輸出故障信號(hào)。這里40106的翻轉(zhuǎn)電平對(duì)應(yīng)的電壓有個(gè)范圍，而且不同廠商的產(chǎn)品可能會(huì)有所不同，這會(huì)導(dǎo)致過流點(diǎn)不準(zhǔn)確，所以后者利用一只穩(wěn)壓管BZX84C7V5將A點(diǎn)的故障電位點(diǎn)限定在7.5V，當(dāng)IGBT發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)致A點(diǎn)電平升高超過7.5V，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，三極管Q3開通，C點(diǎn)為低電平，F(xiàn)O輸出為低，從而產(chǎn)生故障信號(hào)。

此外上圖中還增加了驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源VCC_U低于12V時(shí)，三極管Q2截止，D點(diǎn)、B點(diǎn)為高電平，使三極管Q3開通，產(chǎn)生故障信號(hào)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源VCC_U正常為15V時(shí)，D點(diǎn)為低電平，對(duì)B點(diǎn)無影響。二極管D3的作用是單向?qū)ǎ珼點(diǎn)為低電平時(shí)，使保護(hù)電路對(duì)欠壓電路部分無影響。

典型的IGBT驅(qū)動(dòng)電路如下圖。對(duì)于IGBT的驅(qū)動(dòng)，由于IGBT的特性隨VGE和RG變化，而且隨IGBT的電流不同驅(qū)動(dòng)功率有所變化，因此驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)也有所不同。

門極驅(qū)動(dòng)電阻RG對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性有較大的影響。如圖，IGBT的GE之間有個(gè)寄生電容CGE，該電容一般隨IGBT容量增大而增大。RG越小，IGBT的柵極電容充電就快，開關(guān)時(shí)間短，開關(guān)損耗就小，但RG較小時(shí)使得IGBT開通時(shí)di/dt變大，從而引起較高的du/dt，增加續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓，因此選擇RG時(shí)需要折中考慮。RGE的作用是防止IGBT柵極電荷積累，一般取值是10k～100k。

GE之間的穩(wěn)壓管一般取值16～18V，防止柵極出現(xiàn)電壓尖峰。

三極管Q1、Q2構(gòu)成驅(qū)動(dòng)功率推挽放大。IGBT開通時(shí)，門極正向電壓最佳值為15V±10%;IGBT關(guān)斷時(shí)，最好加個(gè)負(fù)偏電壓，最好取值在-5～-10V之間。

采用對(duì)管驅(qū)動(dòng)的目的在于，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，對(duì)IGBT的柵極電容充電，使IGBT導(dǎo)通，當(dāng)IGBT需要關(guān)斷時(shí)，Q2導(dǎo)通，為柵極電容提供放電回路，從而使IGBT基極電壓迅速拉低，關(guān)斷IGBT。如果沒有下管，則無法為柵極電容放電，IGBT無法關(guān)斷。

這里簡單舉例說明了變頻器中IGBT的保護(hù)，關(guān)于IGBT的保護(hù)措施還有很多，找時(shí)間我們可以羅列一些(講真的，有些東西一展開就沒完了，O(∩_∩)O~還慢慢聊吧，嘮著嘮著就都有了)。

02小功率驅(qū)動(dòng)電路

小功率驅(qū)動(dòng)電路(門極驅(qū)動(dòng)電流≤2A)，常見驅(qū)動(dòng)方案是光耦驅(qū)動(dòng)電路，主要有：

HCPL3120/PC923/TLP250

HCPL316J/PC929

等等各種適合的。

如第一節(jié)所示的驅(qū)動(dòng)電路，適用于15kW以下(50A以下的IGBT)。主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)采用單電源供電，關(guān)斷時(shí)為零電壓而不是負(fù)電壓，上三路使用三個(gè)隔離電源，下三路(還有制動(dòng)管)可以共用一個(gè)電源，簡化了電源和電路結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步簡化電源結(jié)構(gòu)，4kW以下的機(jī)型可以采用自舉電源，即全部驅(qū)動(dòng)部分只使用一個(gè)電源，逆變橋的上下臂之間通過電容自舉充電，用二極管實(shí)現(xiàn)隔離，如圖。

以上只是一個(gè)橋臂的電路圖，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為負(fù)下橋臂T2開通上橋臂T1關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流按圖中紅線構(gòu)成回路，同時(shí)由于T2開通，G點(diǎn)和D點(diǎn)具有相同的電位，這樣16V驅(qū)動(dòng)電源同時(shí)通過二極管D19對(duì)電容C10充電，F(xiàn)AEDG構(gòu)成充電回路。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為正上橋臂T1開通下橋臂T2關(guān)斷時(shí)，由于下橋臂T2關(guān)斷，16V電源沒有回路，此時(shí)只能由電容C10為T1提供驅(qū)動(dòng)能量，驅(qū)動(dòng)電流按圖中藍(lán)線構(gòu)成回路。如果以G點(diǎn)為零電位，則D點(diǎn)電位為直流母線電壓值(通常認(rèn)為是536V)，此時(shí)電容C10正端A點(diǎn)的電位隨D點(diǎn)自動(dòng)抬升，其值為536V+15V，保證T1的GE之間的驅(qū)動(dòng)電壓為15V，因此該電路成為“自舉電路”。圖中二極管D19的作用是在電容C10作為T1驅(qū)動(dòng)電源的時(shí)候隔離16V電源，從而實(shí)現(xiàn)電位自舉。假如去掉二極管，則A點(diǎn)電位限制在16V，不能隨隨D點(diǎn)自動(dòng)抬升，因而無法開通T1管。

上述自舉電路的上橋臂靠電容儲(chǔ)能提供驅(qū)動(dòng)能量，驅(qū)動(dòng)能力有限，因此一般只用于4kW以下的小功率驅(qū)動(dòng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是減少了隔離驅(qū)動(dòng)電源的路數(shù)，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，從成本上看，比四路驅(qū)動(dòng)稍微便宜一點(diǎn)。

03中小功率驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于18.5～30kW的機(jī)型，采用100～150A電流的IGBT，一般采用模塊，驅(qū)動(dòng)同樣采用單電源供電，關(guān)斷時(shí)為零電壓，為了擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)能力，輸出級(jí)的推挽電路采用了兩只三極管并聯(lián)，而且每個(gè)IGBT都單獨(dú)供電，如圖：

04中等功率驅(qū)動(dòng)電路

在37.5～75kW的功率段，隨著IGBT電流和發(fā)熱的增大，不能使用6管封裝的模塊，一般采用三個(gè)橋臂構(gòu)成三相全橋，IGBT電流容量在150～400A之間。這時(shí)為了實(shí)現(xiàn)IGBT的快速關(guān)斷，需要采用負(fù)偏電壓關(guān)斷。同時(shí)為了提高可靠性，每個(gè)IGBT都單獨(dú)供電。

下圖是帶負(fù)偏的雙電源電路圖：

可以采用合適的驅(qū)動(dòng)芯片來搭建驅(qū)動(dòng)電路，此外，為了獲得足夠的驅(qū)動(dòng)能力和反向關(guān)斷功能，還可以采用橋式驅(qū)動(dòng)電路：

橋式驅(qū)動(dòng)每路只需要單電源供電，無需提供負(fù)偏反壓，關(guān)斷期間H橋本身在IGBT的GE之間產(chǎn)生了一個(gè)15V的負(fù)偏。主要缺點(diǎn)是該電路元件較多，焊接比較麻煩，這對(duì)可靠性有一定影響，而且關(guān)斷期間負(fù)偏和開通期間的開通電壓都是15V，IGBT關(guān)斷電壓一般推薦是-5～10V，-15V的關(guān)斷電壓會(huì)增加驅(qū)動(dòng)功率，需要考慮增大電源容量。

橋式驅(qū)動(dòng)電路也可以改成使用雙電源的雙管推挽驅(qū)動(dòng)，增加了電源的復(fù)雜性，但節(jié)省了一對(duì)驅(qū)動(dòng)管，效果和成本差不多。

05中大功率驅(qū)動(dòng)電路

90kW功率段以上，受模塊電流容量和散熱的限制，需要對(duì)IGBT模塊進(jìn)行并聯(lián)來擴(kuò)大容量，這時(shí)候的驅(qū)動(dòng)芯片需要根據(jù)實(shí)際的驅(qū)動(dòng)能力要求來選擇。該功率段一般不使用自搭的橋式驅(qū)動(dòng)或推挽驅(qū)動(dòng)電路，畢竟從可靠性角度講，專用的驅(qū)動(dòng)電路可靠性要高很多。

在200kW～400kW功率段，隨著輸出電流的增大，IGBT并聯(lián)模塊數(shù)增多，對(duì)于驅(qū)動(dòng)能力的要求也隨著增加。一般會(huì)在驅(qū)動(dòng)芯片電路后級(jí)加上一級(jí)放大電路，對(duì)于更高的能力，后級(jí)推挽電路可以采用三極管并聯(lián)的方式來擴(kuò)容。

下面給出兩個(gè)例子：