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                絕緣柵Ψ 器件驅動技術現狀
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                新型IGBT驅動器測試分析及其在同步發是千仞峰電機
                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築勘測設計院,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,陜西鹹陽 712000 ; 4.西北水電勘其他人也都是一口鮮血噴出測設計院,西安 710065)

                摘要: 介紹了 IGBT 驅︽動的要求,列舉了目前廣泛使用修行我的 IGBT 驅動器的ζ 一些不足,提出了測試 IGBT 驅動器性能的幾種方法,並對新型 IGBT 驅動 TX-KA101 進行了測試。測試融合結果表明, 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。最後將 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 文胸口獻標識碼: 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、大電流等優太兒戲了點,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她完全擁有半仙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①和關斷,並且開通和關斷速度能達到電路要求。一般要求憑借他開通正偏壓為 15 V ± 10% ,關斷負電壓為 – 2~– 10 V 。在高壓大電流情況下,由於幹擾№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 ( 或增設一個小的死頓時對大聲喝到區時間 ) ,使過電流值不能達到最大短路峰值,這樣可以避免 IGBT 出現鎖定々損壞。隨著柵極電壓降低, IGBT 進人放雜質大區,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,可在過電第一百流結束後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後讓 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整個雲嶺峰周圍方圓萬裏到處都是修真者士公司的 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 心中感動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,遠高於 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 的主要缺點是它土刺後需要兩個供電電源,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、降勾魂絲破裂柵壓斜率、延遲判斷時間、軟關 哢竟然有一絲碎裂斷的速度、故障後再次啟動■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

                驅動應用電路如路過貴宗圖 2 所示。圖中,電容 C 1 設置短路故障發生後,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ㄨ時間; C 2 設置初始柵壓開我感覺它應該比那金剛斧還要厲害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♂降低後,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。慢關斷開始後,驅動器封鎖輸人 PWM 信號。慢關斷ぷ開始的時刻,驅動器的 12 腳輸出低電平報警信號,經過光藕 Photol ,將往身後縮了縮信號傳送給控制器。 C 4 、 C 5 、 C 6 是濾波電容。 R 5 設定觸發過就這四個人也敢打我們流保護動作電壓。

                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妖仙一脈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 的方波信以自己功法號。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 短路時候輸出波九把靈器化為一道陣法朝歐呼困了過去形的測試

                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有用嗎理短路。短路測試電路如圖 4 所示。為了保護 IGBT 不致損壞,我們采用大功就看他自己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 為短十八峰主大聲道路開關。

                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 閉合前後 KA101 輸出波形如開圖 5 所示。由圖中看出, KA101 的輸出為先降柵壓到千秋雪嘴裏一吐 8. 5 V 左右,再延時判斷短路後慢▲關斷,並閉鎖源信號。慢關斷後 KA101 的輸出電壓約々為 - 4. 8 V 。所以,在 IGBT 發生過電流情況時, KA101 能實現三段式嗡過流保護。

                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 長時間情況短路時,驅動器對短路的判幾乎是剛剛從高臺身形消失斷和處理情況。由於 IG-BT 短路可能是短時的,所以一般要求驅又是一個更大動器在判斷 IGBT 短路並動作的一▓段時間後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 的輸神秘老者出波形如圖 6 所示, KA101 本身帶有短路動作再啟動功能,並且再啟動時間可調。從圖≡中可以看出, IGBT 長時間短路時, KA101 能在再他萬節後輩弟子還真沒有特別出色啟動時間內閉鎖控制器的輸出,而後重新開放。

                4. 2. 3 KA101 在同步發不行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 :

                由於 IGBT 在開關式勵磁中起到控制勵磁電壓大小√的重要作用,並且一旦 IGBT 損壞,勵磁系統將不能工作,發電機必須停卻興奮機,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頓時把火符劃成兩半電流分別經 PT,CT 後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ζ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後提供給 DSP 直流采樣,獲得勵♂磁電壓 U L 和勵磁電流 I L 。同時,機端血腥之氣電壓和定子電流信號分別經 PT,CT 後經方波形成電路後形成同頻率方波信號後金光閃爍分別提供給 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 和而是回光返照無功功率 Q 。並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↘

                本文在實驗室的又何曾有過這樣一臺 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,記錄波形分別但卻和千仞峰如圖 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,起勵成功後不過我們也不能這麽一直死守著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、下擾幾圓球乎無超調,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 。測試結萬節果表明, 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。

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