新型IGBT驅動器測試分析及其在同步發電機
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筑勘測設計院，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，陜西咸陽 712000 ； 4．西北水電勘測設計院，西安 710065)

摘要： 介紹了 IGBT 驅動的要求，列舉了目前廣泛使用的 IGBT 驅動器的一些不足，提出了測試 IGBT 驅動器性能的幾種方法，并對新型 IGBT 驅動 TX-KA101 進行了測試。測試結果表明， 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。最后將 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 能可靠開通和關斷，并且開通和關斷速度能達到電路要求。一般要求開通正偏壓為 15 V ± 10% ，關斷負電壓為 – 2~– 10 V 。在高壓大電流情況下，由于干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 出現鎖定損壞。隨著柵極電壓降低， IGBT 進人放大區，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，可在過電流結束后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后讓 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，遠高于 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— TX–KA101

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、降柵壓斜率、延遲判斷時間、軟關斷的速度、故障后再次啟動的時間，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

驅動應用電路如圖 2 所示。圖中，電容 C 1 設置短路故障發生后，驅動器再次輸出驅動信號的間隔時間； C 7 設置保護的盲區時間； C 2 設置初始柵壓開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。柵壓降低后，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。慢關斷開始后，驅動器封鎖輸人 PWM 信號。慢關斷開始的時刻，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 閉合前后 KA101 輸出波形如圖 5 所示。由圖中看出， KA101 的輸出為先降柵壓到 8. 5 V 左右，再延時判斷短路后慢關斷，并閉鎖源信號。慢關斷后 KA101 的輸出電壓約為 - 4. 8 V 。所以，在 IGBT 發生過電流情況時， KA101 能實現三段式過流保護。

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 長時間短路時，驅動器對短路的判斷和處理情況。由于 IG-BT 短路可能是短時的，所以一般要求驅動器在判斷 IGBT 短路并動作的一段時間后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 的輸出波形如圖 6 所示， KA101 本身帶有短路動作再啟動功能，并且再啟動時間可調。從圖中可以看出， IGBT 長時間短路時， KA101 能在再啟動時間內閉鎖控制器的輸出，而后重新開放。

4. 2. 3 KA101 在同步發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 :

由于 IGBT 在開關式勵磁中起到控制勵磁電壓大小的重要作用，并且一旦 IGBT 損壞，勵磁系統將不能工作，發電機必須停機，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電流分別經 PT,CT 后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后提供給 DSP 直流采樣，獲得勵磁電壓 U L 和勵磁電流 I L 。同時，機端電壓和定子電流信號分別經 PT,CT 后經方波形成電路后形成同頻率方波信號后分別提供給 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 和 I ，計算得發電機的有功功率 P 和無功功率 Q 。并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，起勵成功后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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