【文章內(nèi)容簡介】 感 圖 7 開關(guān)管在開關(guān)過程中的損耗分布 LG 為柵極寄生電感 。LC 為上 IGBT 集電極寄生電感 。LEC 為上 IGBT 發(fā)射極與下 IGBT 集電極之間的寄生電感 。LE 為下 IGBT 發(fā)射極寄生電感。 在開關(guān)管開通的過程中，由于有 LC 、 LEC 的存在，降低了開關(guān)管的損耗，但是在關(guān)斷過程中，開關(guān)管的主動關(guān)斷以及二極管的反向恢復(fù)，由于有寄生電感的存在，會感應(yīng)出過電壓，使得開關(guān)損耗增加以及開關(guān)管承擔更大的過壓風險。在短路和過載時，寄生電感的表現(xiàn)就更明顯，因此一般在硬開關(guān)電路中，寄生電感要求越低越好。功率模塊的內(nèi)部寄生電感是用戶無法改變的，主要與功率模塊電磁爐功率模塊的設(shè)計及控制 8 的制造有關(guān)，良好的結(jié)構(gòu)工藝和精湛的技術(shù)可以改善寄生電感。 IGBT 功耗是 IGBT 設(shè)計時考慮的一個非常重要的參數(shù)，對于不同功耗的IGBT 采取的散熱方式和驅(qū)動電路都有很大差別。逆變電路的損 耗主要有靜態(tài)損耗、開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗。圖 7 表示出功率器件可能存在的損耗。 對于 IGBT 的控制都是通過控制 IGBT 柵極來得到的，通過柵極電壓的控制來實現(xiàn) IGBT 的開通和關(guān)斷，通常有以下三種形式 :電阻控制、電壓控制和電流控制。 目前最為流行的方法是用電阻控制柵極電容充放電完成對 IGBT 的開關(guān)控制，其優(yōu)點是可以通過控制柵極電阻的大小來改變充放電的速度，可以根據(jù)不同的開關(guān)器件、不同的應(yīng)用電路選擇不同的柵極電阻。但是這種電路也有一個缺點就是在開關(guān)過程中會出現(xiàn)米勒平臺，主要產(chǎn)生原因是柵極電阻和寄生電容充放電過程中，寄生 電容在很短一段時間內(nèi)會等效無窮大，導(dǎo)致柵極電壓有很短一段時間會是保持狀態(tài)，一般來說這種狀態(tài)不會影響正常運行，但是柵極電阻不能取太大，否則會影響 IGBT 的開通。柵極電阻的作用是限制柵極電流，使得 IGBT 等效寄生電容能夠平滑的充放電，理論上，柵極電阻越大越好，但是過大的柵極電阻會增加 IGBT 的功耗，同時會引起柵極電壓震蕩，影響 IGBT 開通關(guān)斷，因此在實際應(yīng)用中要合理使用。 驅(qū)動電路的設(shè)計及其優(yōu)化 本課題采用的驅(qū)動電路主要是基于日本富士芯片 EXB841 上設(shè)計的，此集成芯片有如下性能特點 ： (1)能提供 4A 柵極驅(qū)動電流； (2)供電電壓為 24V，分為 +15V 和 5V； (3)控制信號電流大小為 If=10mA； (4)最大開關(guān)頻率可達 40kHz； (5)內(nèi)部帶有短路、過流保護； (6)IGBT 內(nèi)部過流后有自動關(guān)斷功能； EXB841 電路原理圖如圖 8 所示 ， 其 工作過程可分為以下幾個階段 ： 圖 8 EXB841 電路原理圖 電磁爐功率模塊的設(shè)計及控制 9 (1)正常開通 ： 當給控制角 14 角和 15 角同有 10mA 電流時，三極管 VT1 和VT2 截止， VT4 導(dǎo)通、 VT5 截止，電源通過 VT4 和柵極電阻使 IGBT 在 1us 內(nèi)導(dǎo)通，同時電源對 C2 充電， B 點電位被提升，由于 VD7 的作用使得 B 點和 C點的電壓在 8V 左右， 13V 的穩(wěn)壓管不會導(dǎo)通， VT3 截止，短路反饋信號 5 角不輸出保護信號。 (2)正常關(guān)斷 ： 當不給 14 角和 15 角信號時， VT1 和 VT2 導(dǎo)通， VT4 截止、VT5 導(dǎo)通， IGBT 通過柵極電阻和 VT5 快速放電，在柵極寄生電容放電完成后，IGBT 關(guān)斷，同時 IGBT 集電極和發(fā)射極間電壓上升， VD7 的作用使得 C 點電壓不會太高，同時 VT1 的導(dǎo)通 C 點電壓降為 0V， ZD1 不會導(dǎo)通， E 點仍為高， IGBT可靠關(guān)斷。 (3)短路保護 ： 在感應(yīng)加熱中， IGBT 極易受到干擾，所以就要求驅(qū)動電路有自我保護 IGBT 的功能，在 IGBT 短路時能強制關(guān)斷 IGBT，避免其燒毀。 EXB841內(nèi)部有短路保護功能，其工作過程具體如下 :在 IGBT 短路時， CEV 上升， VD7 截止， B 點和 C 點電位由電源通過 R3 向其充電，直到大于 13V，然后 ZD1 導(dǎo)通，VT3 隨之導(dǎo)通， E 點電位迅速下降， D 電位隨之下降，然后 VT4 截止， VT5 導(dǎo)通， IGBT 通過柵極電容放電，從而關(guān)斷，達到保護的目的。 在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn) EXB841 的內(nèi)部穩(wěn)壓管 ZD2 由于功率不夠，經(jīng)常被擊穿，致使 IGBT 不能關(guān)斷，導(dǎo)致其燒毀，所以 在設(shè)計中可以對其改進，經(jīng)過多次實驗，最后采用外部穩(wěn)壓管來代替內(nèi)部的穩(wěn)壓管，這樣不僅提高了穩(wěn)壓管的功率，而且外部器件更容易更換，給維修帶來了很大的便利。其電路圖如圖 9 所示。 圖 9 優(yōu)化驅(qū)動原理圖 針對半橋諧振電路，設(shè)計中采用 2 個獨立的驅(qū)動模塊分別驅(qū)動上下半橋的開電磁爐功率模塊的設(shè)計及控制 10 關(guān)管，并且每個獨立模塊采用獨立 24V 電源供電，防止半橋中點浮點電位對驅(qū)動模塊的影響。對于 300A 的 IGBT， 5V 的關(guān)斷電壓太低，不能迅速可靠的關(guān)斷，因而采用 +16V 的開通電壓和 8V 的關(guān)斷電壓，外部通過穩(wěn)壓電源 LM7808來提供負壓，不使用內(nèi)部過 流能力較小的 5V 穩(wěn)壓二極管。另一方面在 EXB841輸出短路保護信號時候，通過光電隔離將此過流信號發(fā)送到單片機的中斷響應(yīng)，來關(guān)斷 PWM 信號，整個處理時間能夠在 10us 內(nèi)完成，小于 IGBT 能夠承受大電流的時間，能夠起到有效保護 IGBT 的目的。 IGBT的并聯(lián)應(yīng)用 大功率電磁爐功率需求越來越大，對 IGBT 的額定電壓、額定電流性能指標提出了更高的 要求 ，單個 IGBT 的額定參數(shù)很難滿足 需要 ，主要表現(xiàn)在過電流能力上，多個 IGBT 并聯(lián)已經(jīng)越來越廣泛，并且在散熱、布局方面、電流負溫度系數(shù)多個方面， IGBT 并聯(lián) 有 更 大的 靈活性，在 IGBT 并聯(lián)后 具有 更大的過流能力 ，同時保證更高的穩(wěn)定性。但是 IGBT 并聯(lián)也有其不足之處，主要表現(xiàn)在均流問題上，元件的布局、電路環(huán)境的干擾、元器件之間的個體差異都會影響均流 。 在嚴重的情況下，由于均流問題很容易使 IGBT 全部燒毀，導(dǎo)致惡劣的后果，另一方面， IGBT 并聯(lián)的過流能力不能單純?yōu)閮蓚€參數(shù)幾何累加，一般小于單個的兩倍。 IGBT 并聯(lián)不均流原因 ， 從內(nèi)部特性講主要有動態(tài)特性、靜態(tài)特性的影響 。動態(tài)特性主要與開關(guān)器件開關(guān)延時、寄生電感等有關(guān)，靜態(tài)特性主要與導(dǎo)通壓降有關(guān)，這些因素都會導(dǎo)致 IGBT 并聯(lián)不均流。靜態(tài)因素的影響主要是因為在導(dǎo)通時，發(fā)射極和集電極壓差不一樣導(dǎo)致輸出特性不一致。 IGBT 動態(tài)特性的影響主要表現(xiàn)為溫度特性、柵極電阻、電流特性轉(zhuǎn)移曲線、寄生回路參數(shù)等，這些都不是一個確定的參數(shù)，在 IGBT 工作的過程中動態(tài)的發(fā)生變化，從而影響多管的分流作用。 在大功率電磁爐中，我們將多個功率模塊進行并聯(lián)，從而達到功率疊加的目的，應(yīng)用多個模塊可以方便安裝，即插即拔，可以根據(jù)需求組裝以達到理想的功率。如圖 10 所示： 電磁爐功率模塊的設(shè)計及控制 11 圖 10 電磁爐多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖 為解決 IGBT 動、靜態(tài)特性引起的均流不平衡問題，本課 題采用的是柵極電阻補償法，此方法實際應(yīng)用起來 較容易 ，只需對柵極驅(qū)動電阻進行阻值的改變，無需額外的復(fù)雜電路。 電磁爐保護電路的設(shè)計 在大功率電力電子設(shè)備中，對大功率電力電子器件的保護電路設(shè)計至關(guān)重要。由于大功率電磁爐工作的環(huán)境惡劣，保護電路設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、安全、穩(wěn)定和產(chǎn)品的使用壽命。在出現(xiàn)過流、過壓、過溫時，在電力電子器件允許的過流、過壓、過溫時間內(nèi)，應(yīng)及時關(guān)斷大功率開關(guān)管 IGBT 的驅(qū)動信號，使開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，防止開關(guān)管 IGBT 的損壞。 由于采用 IGBT 半橋逆變方式進行功率輸出，所 以必須考慮防止橋臂上、下管同時導(dǎo)通情況。為此，設(shè)計了硬件死區(qū)控制電路，所謂硬件死區(qū)電路就是由硬件延時電路來讓 PWM 信號帶有死區(qū)功能，避免了微控制器在受到干擾下輸出錯誤信號，而造成兩 個 IGBT 同時導(dǎo)通，導(dǎo)致短路燒毀 IGBT。另外，為防止 IGBT模塊過流甚至是短路現(xiàn)象的發(fā)生，裝置還集成有安全保護控制電路，增強了電磁爐工作的安全穩(wěn)定性。 硬件死區(qū)電路能夠很好的保護半橋電路的上下開關(guān)管不會出現(xiàn)同時導(dǎo)通的情況，可以有效保護 IGBT。上下開關(guān)管的同時導(dǎo)通的狀況受多種因素影響，主要內(nèi)部電磁干擾、軟件程序控制不當?shù)龋布?區(qū)電路有著軟件所沒有的穩(wěn)定性，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 硬件死區(qū)電路的原理主要是通過非門電路和 RC延時電路組成 ， 將一路 PWM信號分成兩路，然后分別對兩路 PWM 信號進行上升沿延時，就得到了兩路互補的 PWM 信號，即兩路存在死區(qū)的 PWM 信號。其電路原理圖如 11 所示。 電磁爐功率模塊的設(shè)計及控制 12 RC 1C 2RU 2 AU 2 BU 1 AU 1 BP W M BP W M AP W M1212364543 圖 11 死區(qū)控制電路原理圖 首先單片機發(fā)送一路 PWM，此信號經(jīng)非門 U1A 和 U1B 成兩路互補 PWM信號， PWM 信號經(jīng)過 RC 時，如果 PWM 信號是由上升沿，通過電阻 R 對電容充電，在充電這段時間內(nèi)，仍是低電平，直到電壓上升到與門的高電平門檻電壓，與門才輸 出高電平，如果 PWM 信號是下降沿，由于與門一端輸入為低，所以輸出也為低，低電平?jīng)]有延時。兩路 PWM 信號分別經(jīng) RC 電路進行上升沿跳轉(zhuǎn)延