SVG装置中的IGBT-IPM智能模块的电路应用设计

发布时间:2015-07-4 阅读量:903 来源: 我爱方案网 作者:

【导读】随着近年来双极功率晶体管及功率的问世以及生产技术的成熟,这些开关元件凭借自身优越的性能逐渐替代了晶闸管和GTO,并朝着节能、轻便、小型化的方向迅速发展。我爱方案网小编为大家介绍SVG装置中的IGBT-IPM智能模块的电路应用设计。

1 引言


电力系统中大功率电力电子装置的开关元件主要是晶闸管和GTO。IGBT-IPM?Intelligent Power Module)智能模块正是其中的代表之一,它将IGBT单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块之中,利用这些优越的特性可极大地提高实际应用系统的稳定性?同时可简化设计的难度?缩小装置的体积。

2 IGBT智能模块的主要特点


与过去IGBT模块和驱动电路的组合电路相比,IGBT-IPM内含驱动电路且保护功能齐全,因而可极大地提高应用系统整机的可靠性。本文将要介绍的是富士电机最新推出的R系列IPM智能功率模块7MBP100RA-120的主要特点和使用情况。它除了具有体积小、可靠性高、价格低廉等优点以外,还具有以下主要功能:

●内含驱动电路。该模块同时具有软开关特性,可控制IGBT开关时的dV/dt和浪涌电压;用单电源驱动时,无需反向偏压电源;并可防止误导通。关断时,IGBT栅极低阻抗接地可防止噪音等引起VGE上升而误导通;模块中的每个IGBT的驱动电路都设计了最佳的驱动条件。

●内含各种保护电路。每个IGBT都具有过流保护(OC)、负载短路保护(SC)、控制电源欠压保护(UV)和过热保护(OH)等功能。

●内含报警输出功能。当出现上述保护动作时,可向控制IPM的微机系统输出报警信号。

●包含有制动电路。内含制动单元的IPM模块,用此单元可以抑制PN端子间的电压升高。



图1为该IGBT-IPM智能模块的内部结构图,图中的前置驱动部分包括驱动放大、短路保护、过流保护、欠压闭锁、管心过热保护等功能电路。图中,各个引脚和端子的标号列于表1。

表1 IGBT-IPM智能模块的脚及端子标号

SVG装置中的IGBT-IPM智能模块的电路应用设计

3 IGBT智能模块电路设计


IGBT智能模块的电路设计主要分为主电源部分、光耦外围控制部分、缓冲电路部分及散热部分。下面分别对这四部分的设计方法和需要注意的问题进行说明。

3.1 主电源电路


富士的IGBT-IPM模块有很多不同的系列,每一系列的主电源电压范围各有不同,在设计时一定要考虑其应用场合的电压范围。600V系列主电源电压和制动动作电压都应该在400V以下,1200V系列则要在800V以下。开关时的最大浪涌电压:600V系列应在500V以下,1200V系列应该在1000V以下,根据上述各值的范围,使用时应使浪涌电压限定在规定的值内,且应在最靠近P、N端子处安装缓冲器(如果一个整流电路上接有多个IGBT模块,还需要在P、N主端子间加浪涌吸收器)。虽然在模块内部已对外部的电压噪声采取了相应的措施,但是由于噪声的种类和强度不同,加之也不可能完全避免误动作或损坏等情况,因此需要对交流进线加滤波器,并绝缘接地,同时应在每相的输入信号与地(GND)间并联1000pF的吸收电容。

3.2 光耦外围控制部分


与主电源电路不同,外围控制电路主要针对的是单片机控制系统的弱电控制部分。由于模块要直接和配电系统连接,因此,必须利用隔离器件将模块和控制部分的弱电电路隔离开来,以保护单片机控制系统。同时,IGBT模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。所以,设计一个优良的光耦控制电路也是模块正常工作的关键之一。根据IGBT的驱动以及逆变电路的要求?1?,模块内部的IGBT控制电源必须是上桥臂3组,下桥臂1组,总计4组独立的15V直流电源。图2是一种推荐的光耦驱动电路。
SVG装置中的IGBT-IPM智能模块的电路应用设计

图2中给出了几种典型光耦驱动电路,其中三极管与光耦并联型电路对光耦特别有利。下面是控制输入的光耦规格要求:

●CMH=CML>15kV/μs或10kV/μs

●TPHL=TPLH<0.8ms

●CTR>15%

推荐的光耦有:

HCPL-4505,HCPL-4506

TLP759(IGM),TLP755等。

一般情况下,光耦要符合UL、VDE等安全认证。同时最好使光耦和IGBT控制端子间的布线尽量短。由于初级和次级间常加有大的dv/dt,因此,初、次级布线不要太靠近以减小其间的耦合电容。在使用15V的直流电源组件时,建议电源输出侧的GND端子不要互联,并尽量减少各电源与地间的杂散电容,同时还应当确保足够大的绝缘距离(大于2mm)。光耦输入用的10μF及0.1μF滤波电容主要是保持控制电压平稳和修正线路阻抗的稳定,其它地方的滤波电容也很必要。另外,控制信号输入端与Vcc端应接20kΩ的上拉电阻,在不使用制动单元时,也应该在DB输入端与Vcc端接20kΩ的上拉电阻,否则,dv/dt过大可能会引起误动作。图3为控制信号的输入电路。其它三组上桥臂控制信号输入电路与图3相同,但3组15V直流电源应分别供电。而下桥臂的4组,则共用一个15V直流电源。

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3.3 缓冲电路


缓冲电路(阻容吸收电路)主要用于抑制模块内部的IGBT单元的过电压和dv/dt或者过电流和di/dt,同时减小IGBT的开关损耗。由于缓冲电路所需的电阻、电容的功率、体积都较大,所以在IGBT模块内部并没有专门集成该部分电路,因此,在实际的系统之中一定要有缓冲电路,通过电容可把过电压的电磁能量变成静电能量储存起来,电阻可防止电容与电感产生谐振。如果没有缓冲电路,器件在开通时电流会迅速上升,di/dt也很大,关断时,dv/dt很大,并会出现很高的过电压,极易造成IGBT器件的损坏。因此,缓冲电路不仅在IGBT模块中需要,在SVG系统的整流电路中也同样需要。图4给出了一个典型的缓冲电路,有关阻值与电容大小的设计可根据具体系统来设定不同的参数。

SVG装置中的IGBT-IPM智能模块的电路应用设计

4 IGBT智能模块在SVG装置的应用


静止无功发生器SVG[3][4][5](Static Var Generator)是灵活交流输电系统(FACTS—Flexible AC Transmis-sion System)技术中的一个重要内容,它的主要功能是在系统中起到动态无功发生、无功补偿、电压支撑、改善系统稳定的作用。目前,改善电压质量的方法是用传统的SVC(Static Var Compensator)静态无功补偿装置来减小电压波动及电压不对称,而用机械投切电容器或电抗器消除电压不平衡,用滤波器消除谐波。但是,这些措施的实现及控制都不太灵活,加之设备价格比较昂贵、维修困难,因而在实际系统应用中效果并不是很好。FACTS技术中的SVG装置以其灵活的动态调节性能克服了这些不足。SVG装置的核心部分是逆变电路,它将整流后的直流电压进行逆变以产生与系统相应的交流电压,从而产生所需的交流无功功率。利用IGBT智能模块后,逆变电路无论是在体积、性能、稳定性还是控制方式上都得到了极大地简化。

SVG装置中的IGBT-IPM智能模块的电路应用设计

该系统共分为3个主要部分:第一部分是由IG-BT模块构成的逆变电路,第二部分是由电力二极管构成的全波整流电路,第三部分是由微机构成的检测控制系统。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块6RI100G-160,该模块的主要作用是将三相线路上的交流电压变为直流输出,从而维持直流电容两端的电压稳定,同时也为逆变电路提供一个直流电压。

微机控制系统是由以ADMC401高速数字信号处理芯片为核心的DSP控制系统组成,它具有极高的处理速度和专门的6路PWM波发生控制引脚,从图5可以看出,DSP控制系统除了完成向IGBT发出控制信号以外,还可完成三相电流和电压的检测、人机交换等功能。电流检测可利用KT100-P型电流传感器来完成,电压检测则利用CHV-50P电压传感器来完成。键盘管理部分选用82C79接口芯片来管理16键的键盘输入。输出显示部分则选用以SED1520为驱动芯片的MGLS-12032A液晶显示模块(LCD)[3]。该模块的显示屏幕一次最多可显示14个16×16 的点阵汉字,图中只画出了相应的方框图。上述功能均可通过对ADMC401数字信号处理芯片的软件编程来实现。其程序流程图见图6所示。
SVG装置中的IGBT-IPM智能模块的电路应用设计

值得注意的是:本SVG装置中采用的是单桥路控制电路,所以只用到了一个IGBT智能模块,它一共有6个控制点。如果采用多重化结构并使用多个IGBT模块相串联或并联工作,那么将会得到更多的控制点,当然,输出的波形、容量、电压都将会更好。实际上,在SVG系统中,除了IGBT逆变模块以外,还有很多其它的重要组件,因此,要想让SVG系统中的IGBT智能模块正常、高效、安全地工作,还需要装置其余各部件都协调运作,才能够达到预期的控制效果。

IGBT-IPM模块的应用范围相当广泛,从电机的调速、驱动装置到不停电电源装置、SVG装置等,可以说凡是涉及到大功率开关器件、电力变换等场合,只要容量允许,都可以应用它。因此,了解和熟悉IGBT-IPM智能模块的接口电路,有利于加快装置的开发研制进程,提高实际应用装置的性能,这也就是本文介绍相关实用电路和注意事项的主旨。总之,用户应该根据自己的实际需要来仔细、灵活的设计系统。

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