作者：海飞乐技术 时间：2017-04-21 16:28
IGBT为新型电力电子器件，它具有金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，在高压、大电流应用领域，如高压直流输电、静止无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(SVG)等设备，IGBT器件逐渐取代传统的晶闸管，得到越来越多的应用。但是由于高压IGBT器件价格昂贵，其应用受到了一定的限制，在柔性直流输电工程上，通常运用耐压等级适中的多个IGBT进行串联使用以解决低压IGBT单管的电压等级低、高压IGBT成本高的矛盾。据测算，采用IGBT直接串联方案制备电压源换流器、静止无功补偿器和高压变频器等装置，成本上可降低40%左右，具有优异的经济效益。
IGBT直接中联具有较大的应用前景，对其驱动单元进行设计研究十分有意义，本文采用1700V的IGBT单管单元，针对IGBT直接串联的应用设计对应的驱动单元，研究解决其在串联时的驱动问题，并应用在3kV/200A三相逆变系统里，每个阀臂由4个IGBT单管单元串联组成。
1. IGBT驱动设计
1.1 GDU整体设计
GDU单元主要分为电源模块、光通信模块、发光二极管(LED)显示模块、现场可编程门阵列(FPGA)模块、门极驱动模块、过流保护模块及过温保护模块，如图1所示，主要功能如表1所示。本文重点从门级驱动模块、过流保护模块和FPGA模块进行设计。
图1 IGBT驱动保护单元功能框图
表1 模块及其主要功能
模块 功能
电源模块 通过接收外部高频电源，通过开关电源的方式给驱动板内部的各器件提供不同等级电压，井为lGBT提供足够的驱动能力
光通信模块 使用FSK方式与阀基电子设备通信，接收其下发的开关指令，并向其发送状态信息和短路、过温报警信号
LED显示模块 采用不同颜色的方式，直观地显示驱动本身及驱动之间的工作状态
门极驱动模块 采用有源电压控制(active voltage control,AVC)方法，通过引入多重闭环反馈，从而实现IGBT直接串联中的电压平衡
过流保护模块 通过监测IGBT的Ucc电压来判断IGBT是否发生过流故障
过温保护模块 采用红外探头感应散热器的温度并与定值进行比较，过阈值后发出报警信号
门极驱动保护单元(gate drive and protection unit,GDU)设计首要解决的问题是安全隔离问题。电压等级越高，其安全隔离要求越高。由于串联的特殊性，每个GDU单元地都与对应的IGBT发射极共地，因此其隔离包括GDU间安全隔离、主控板发出的驱动信号和GDU的隔离、GDU供电电源与主电源的隔离3部分，如图2所示。
图2 安全隔离示意图
GDU间安全隔离主要是依靠保留足够的空间距离进行隔离。驱动信号与主电路的隔离是通过光通信模块来实现的，其绝缘性好，使用方便，而且抗干扰能力也强，能最大程度地保证驱动的同步性。本文使用频移键控(frequency-shift keying，FSK)方式通信能进一步提高其抗干扰能力。初级供电电源与主电路的隔离是通过外部高频电源来实现的，采用绝缘等级10kV的变压器，有效地实现模块间差模和共模对地隔离。
1.2 门级驱动设计
器件串联最重要的是要解决均压的问题。因此驱动的设计必须考虑过压抑制和驱动的同步。本设计采用VAC方法，通过引入多重闭环反馈，使IG8T开关过程中集射级电压Uce始终跟随设定的参考电压波形UREF，从而实现lGBT直接串联中的电压平衡与过压抑制。
图3为门级驱动原理图。外环由比较器OPI及其外围电路实现，UI信号为电压检测信号，它通过对RC分压的采样将Uce反映到0P1的同名端。参考信号UREF由FPGA发出，和U1比较后信号经过校正网络并限幅后变成U2。当采集的U1低于参考波形中的给定电压值时，U2为正，开通IGBT；高于给定电压值时，U2为负，关断IGBT。内环为门极电压反馈，作用是提高驱动电路的动态特性，主要由比较器0P2及其外围电路实现。由于外环的输出信号需经过缓冲电路、功率放大电路及门极电路才能到达IGBT栅极，因此门极信号Uge必然会与外环输出信号产生偏差，从而降低有源电压控制的均压效果，通过引入内环反馈可提高有源电压控制的均压效果。
图3 门极驱动原理图
T1-T4构成2路功率放大电器，可以提供足够的驱动能力。IGBT的开通和关断均依存于门级电阻大小。门级电阻越大，其开通和关断时间就越大，交换损耗也越大，但浪涌电压变小，减少了du/dt造成误导通的可能。利用D2实现不同的门级导通、关断驱动电阻(R1-R4)设计，可以有效减小关断时密勒电容产生的影响，减少门极振荡和限制导通时的di/dt。
IGBT的门极与发射极之间只有很薄的一层氧化膜，其击穿电压一般在20V左右，在应用中门极连线的寄生电感与门级和发射集极间的电容耦合引起的振荡很容易使门级损坏。并且反并联二极管在反向恢复时产生的位移电流会在门极电阻上产生可观的压降。更严重的是，在过流情况下引起的密勒电容对门级的正反馈，门级电压会瞬时提高到较大的数值在短路过流的情况下短路电流会随着门级电压的増大而增大。这些都可能导致lGBT门极热击穿。因此门级钳位设计尤其重要。本设计采用2种方法进行门级钳位：1)在门极接稳压管，如图3中的D3、D4；2)从门极接一个肖特基二极管到驱动侧的电源电压，如图3中的D1。D1、D3、D4都需要较快的反应速度，并且距离门级要近，减小寄生电感。由于串联对触发一致性的要求较高，而门级电压的大小又很大程度上决定了触发的快慢，因此串联驱动的电源必须保证其可靠性和一致性，图4为本设计中4单元IGBT串联的门极驱动波形图，4个IGBT门级间的延时控制在几十ns以内，一致性已经满足了要求。图5为门极有无双环有源电压反馈的实验对比结果。由图可看出，在同一实验电路情况下，门极采用双环有源反馈能有效地抑制电压过冲。该条件下达到的最大电压为1094 V，而无双环有源反馈的最大电压能达到1504V。并且采用双环反馈后回路寄生参数引起的振荡能得到有效抑制，减小了上下桥臂的直通的可能。
图4 4单元串联的门极波形
图5 门极有无双环有源电压反馈对比结果
要想很好地控制住门极电压，必须保证其驱动器的输出能力。最小的门极电阻情况下的峰值驱动电流可按下式计算：
(1)
式中：ΔU为电势差；Ug1为正脉冲；Ug2为负脉冲。
驱动IGBT所需要的最小功率P和平均电流IoutAV可按式(2)或(3)进行计算：
式中fsw为器件的工作频率。
按照式(2)、(3)计算的结果取最大值即为设计的最小功率P，考虑附加寄生元件和附加器件的损耗并保留足够的余量，P为0.5 W，实际设计的驱动电源所提供的功率为1W，主要还包含FPGA、光纤和DA器件等的损耗。
1.3 过流保护设计
过流保护最简单有效的方法是检测IGBT的C、E之间的电压值，然后与预设的参考电压值U0进行比较，如图6所示。IGBT器件正常工作时，一般只会产生几伏的饱和压降Ucesat，随着Ic的增加，Ucesat也将上升，通过D5-D7将Ucc电压抬高可以有效地减小干扰，取样点SENSE的电压为
式中：Uf为二极管正向导通压降；Icharge为流过R6的电流；n为串联二极管的个数，本设计中n=3。Iss为电流源ISS的电流，一般约为几百μA到几mA。
图6 过流保护电路原理图
当流过IG8T的电流Ic增加时，Ucesat将上升，则USENSE也将上升，通过合理的参数设置，保证当lGBT发生过流时，USENSE大于参考电平U0，则比较器输出高电平，过流信号有效，上报给FPGA，过流保护启动。过流要求快速的保护措施(10μs之内关闭IGBT)，一般驱动芯片都是在驱动电路的输出端实现直接控制，而在串联应用中是不允许的，必须由阀基电子设备(valve base electronics,VBE)发送闭锁信号，统一关断同一阀臂的IGBT。这是因为每个IGBT检测到过流的时刻是不一致的，驱动电路的输出端直接控制关断会使该IGBT因承受母线电压而损坏。图6中MOSFET为C3提供泄放路径，其脉冲和IGBT驱动脉冲相反，C3大小由屏蔽时间决定。为了减少干扰，在比较器CMP前加上缓冲器BUFF。为了保证在正常运行时安全地开通IGBT，开通时当Uce下降到参考电压之前过流保护必须被锁定，由于这一段时间过流保护并不存在，因此总的屏蔽时间不能超过10μs。
IGBT串联时每个IGBT的工作电压都远低于母线电压，因此无法在IGBT退饱和时进行保护，只能在Ic上升期间关断驱动脉冲，这样会导致较大的过压。因此必须严格控制寄生电感的大小，并且适当降低保护阈值。同时，为了减小干扰，需要对过流信号持续判别一段时间。图7为过流保护的实验波形图，图中UL为FPGA发出的过流有效信号，用于点亮过流状态灯。T1时刻USENSE>U0，lGBT过流，由于有缓冲器的影响，过流信号在t2时刻才发送给FPGA，随后FPGA发出过流报警信号，UL输出高电平。在随后一段时间内，USENSE> U0一直成立，判定过流有效，FPGA向UBE发送过流信号。t3时刻FPGA接收到UBE发出的关断信号，统一关断同一阀臂的IGBT。实验中设计过流点为700 A，从图中可看出动作点误差不大，设计的屏蔽时间t3-t1约为6μs，其时间可以通过控制缓冲器和持续判别时间加以控制。
图7 过流保护实验波形
1.4 FPGA模块设计
FPGA模块是GDU驱动中的核心器件，它根据光通信模块接收到的指令及下级电路产生的IGBT状态信息(GDU正常工作信号、IGBT短路信号及IGBT过温信号)，产生相应的IGBT驱动参考波形编码并上报给发送光纤及LED显示模块。具体包括：
1)根据下级电路产生的IGBT状态信息，产生相应的状态信号，传递给光通信模块(GDU正常工作信号、IGBT短路信号及IGBT过温信号)；
2)根据光通信模块接收到的指令及IGBT状态信息，产生相应的IGBT驱动参考波形编码，配合数模转换芯片(DAC)产生驱动参考波形(模拟量)；
3)接收GDU工作状态信号，产生相应的状态信号，驱动LED显示模块。
其框图如图8所示。
图8 FPGA软件实现框图
2. 实验验证
本文将研制的GDU成功地运用在三相3kV/200A逆变系统，每个阀臂由4个IGBT串联组成。图9为实验系统的实物图，图10为实验所获得的波形图。图10(a)为任意相的相电流和对应阀臂的IGBT单元电压。由于通道的限制，只测量了其中任意3块IGBT单元的电压。电流的有效值为204 A，和实验预期相差不大，电压基本重合在一起，最大过压控制在25%左右，获得了较好的均压结果。图10(b)为三相的相电流和任意IGBT单元电压。三相电流分别为201、204和204 A，三相电流基本平衡。实验中IGBT运行正常，有效地验证了IGBT的串联驱动设计。
图9 三相3kV/200A逆变系统及GDU实物图
图10 3kV/200A逆变系统实验波形
3. 结论
基于IGBT直接串联的高压大功率换流阀以其较低的成本和较高的稳定性在柔性直流输电、高压变频器及有源滤波器等高压大功率电能变换场合获得了越来越多的应用。与单只IGBT应用不同，直接串联驱动技术的要求更高，也更复杂。本文从安全隔离、可靠门级钳位、有源电压控制和过流保护等方面进行了研究，并设计了对应的GDU单元。最后将GDU应用在3kv/200A相逆变系统中，每阀臂有4个IGBT单元串联。试验结果表明，GDU单元工作正常，IGBT的均压和过流保护都获得了保证，实现了串联阀臂的稳定工作，验证了GDU的可靠性。
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