IGBT的光纤隔离驱动技术在中压大功率SRD中的应用

丁金龙,高超,闫志平,安东华

(北京中纺锐力机电有限公司,北京 101102)

1 引言

自开关磁阻调速电动机(switched reluctance drive,SRD)问世以来,因其具有启动转矩大,启动电流小,适于频繁启停和正反转等特性,被广泛应用于各领域。随着电压控制型电力电子器件,特别是IGBT单模块器件的电压越做越高,电流越做越大,使大功率SRD技术的应用迅速发展,如煤矿井下皮带等运输设备中。SRD功率的增大,驱动耐压等级的提高,必然引起电磁干扰的增强,为此,必须加强驱动电路的抗干扰能力,光纤隔离驱动技术的使用为解决这一问题提供了方案。

2 SRD简介

2.1 基本组成

通常情况下,SRD分为电机和控制器两部分。电机主要由定子、转子和传感器构成[1];控制器主要由控制电路、驱动电路、控制电源、功率电路组成。如图1所示。

图1 开关磁阻调速电动机Fig.1 Switched reluctance drive

2.2 中压大功率SRD发展[2,3]

由于SRD系统性能优良,实现了重型设备的重载软启动及大范围调速,使它在煤矿等大型工矿企业的重型设备中存在着广泛的应用市场,特别是280 kW以上功率等级的应用,既减小设备对电网的冲击,又提高企业生产率,降低生产成本。

大功率SRD的发展是功率电路容量的扩展,主要依赖于大功率电力电子器件的发展以及功率元件串并联技术的提高。随着功率等级的提高,高压、大电流带来的电磁兼容问题,成为系统可靠性的第一杀手,因此如何减小功率电路与控制电路之间的耦合,保证控制电路安全可靠运行,进而提高整个SRD系统的EMI性能,是中压大功率SRD发展需要解决的首要问题。所有这些都迫使我们对SRD的功率电路的驱动和隔离方法进行重新思考。

3 SRD的驱动电路分析

不同功率等级的IGBT对驱动的要求不尽相同,表1给出了SRD功率电路目前常用的几种驱动方式。

表1 驱动方式的比较Tab.1 Comparison of drive mode

1)直接驱动。仅适用于小功率中,通常推动电源与控制电源没有隔离,如驱动MOSFET。

2)光耦隔离方式驱动电路。具有较好的性价比,以EXB841为例,由于其价格便宜、体积小、轻薄且对IGBT具有短路保护和软关断功能,被大量应用于中小功率SRD系统的驱动控制中。但由于其内部隔离耐压有限,考虑到可靠性,一般只应用于380V以下的调速系统中。

3)变压器隔离驱动方式。能实现控制电源与功率电源电气上的完全隔离,非常适合应用在380V以上的系统中,可以使隔离电压达到4 000 V。但当驱动器功率进一步提高时,IGBT的工作电流增大,大的di/dt与功率电路母线杂散电感产生的过电压,以及IGBT开通、关断产生的高频dv/dt,通过结电容,耦合到门级,影响IGBT工作;并且因为驱动信号采用的是变压器隔离,绕组间具有磁路耦合,可能存在分布电容,会导致高压侧的高频干扰信号耦合到控制回路,影响控制电路正常工作;同时从驱动板至IGBT的引线较长,功率电路产生的空间电磁干扰也可能威胁到驱动电路的正常工作。

4)光纤隔离驱动。是光耦隔离技术的一种延伸,光纤的采用,使控制电路远离功率电路,且不存在直接电气关系,在4 000 V以上的系统中,光纤驱动板可以与IGBT就近安装结合成为一个整体,减少引线长度,从而大大提高了整个系统的可靠性。

由于大功率电力变换装置需要隔离电压,考虑系统整体的抗干扰能力,在大功率SRD驱动电路中,光纤隔离驱动技术为最佳使用选择。

4 SRD中光纤元件选取原则

4.1 收发器的选用

大部分光纤收发器工作原理如图2、图3所示。

图2 发送电路Fig.2 T ransmitting circuit

图3 接收电路Fig.3 Receiving circuit

IGBT的开关频率一般在20 kHz左右,大功率SRD控制系统中,斩波频率一般控制在10 kHz以下,因此,控制板与大功率模块驱动板之间传输速率在1～5 MB/s的光纤收发器在驱动控制电路中使用较多。

4.2 发送方式的选用

发送电路中,有2种可供选择的发送方式,如图4所示,其主要性能区别如下:

方式1为串联结构,常用于1 MB/s以下系统中,延时时间较长,其优点是驱动电源的功耗较低;

方式2为并联结构,适用于5 MB/s或频率响应要求更高的场合,其优点是反应速度快,但驱动电源始终是导通的,功耗较高。

以上两种发送方式均满足中压大功率SRD的斩波频率技术要求,但考虑节能和有效利用达林顿驱动接口,在中压大功率SRD系统中,方式1是最理想的发送电路应用方案。

图4 发送方式Fig.4 Transmitting mode

4.3 光纤的选用

针对上述光纤收发器及发送方式,可选用直径1 mm,带塑胶外套的光纤系列产品。其特点是具有较好的抗拉、抗弯折性能。根据使用场合不同,一般有2个等级供用户选择,低成本型(low cost standard POF),典型衰减倍数为0.22 dB/m;低损耗型(performance extra low loss POF),其典型衰减倍数为0.19 dB/m。

在驱动控制中,一般控制距离在5m以内,所以由传输距离导致信号衰减的发生频率不高,选用低成本型即可。

为了获得良好的电磁兼容性能,光纤的长度一般为2 m。

根据系统的应用环境不同,应选用不同形式的光纤/连接器进行组合,以满足特殊要求。

除了拉力和距离以外,光纤使用中还需注意弯曲半径。一般短时工作情况下,弯曲半径不小于25 mm;长时间(超过30 min)工作,为保证光纤的传输性能,弯曲半径应控制在35 mm以上。

5 具体应用

5.1 系统电路

第1代大功率SRD系统中,驱动信号经变压器隔离后直接输送到IGBT上,没有光纤的光电转换环节,信号抗干扰性差,影响系统的稳定性。

应用光纤隔离驱动技术的新一代中压大功率SRD系统中,控制电路产生IGBT的驱动信号,此信号由光纤上的收发器进行“电-光-电”转换后,经光纤传输到光纤驱动板上,进行放大处理后,驱动IGBT工作;同时,光纤驱动板上IGBT的驱动信号状态,再通过光纤,实时反馈给控制电路。由于直接用螺钉将光纤驱动板安装在IGBT上,使IGBT的门极驱动信号在最短的线路上进行传输,大大降低了电磁干扰的几率,使控制电路能更准确地判断、控制IGBT的工作状态,从而保证了系统整体稳定工作。系统电路图如图5所示。

5.2 SRD光纤驱动电路的特点

应用了光纤隔离驱动技术的IGBT驱动电路,在开关电源隔离能力、短路保护快速响应等方面,都优于第1代大功率SRD系统,其特点如下:

1)IGBT驱动信号引线短,抗干扰强;

图5 应用光纤隔离驱动的SRD系统电路图Fig.5 SRD system circuit diagram using optical fiber isolation drive

2)开关电源隔离耐压值高。隔离耐压可达6 000 V,远高于第1代SRD系统;

3)自动钳位功能[4]。IGBT关断产生过电压时,对门极瞬时施以导通信号,释放可能威胁IGBT安全的瞬时高压。IGBT关断速度更快,损耗小;

4)短路保护快速响应功能。8.5 μ s内实现IGBT关断,防止IGBT过流烧毁;

5)短路时,提供2种IGBT驱动信号的处理方式[4];

6)光纤返回IGBT状态信号。

5.3 性能测试

系统空载情况下,对应用了光纤隔离驱动技术的SRD功率电路,进行工作状态测试。

1)正常驱动。光纤驱动电路即传送驱动信号,又返回IGBT状态信号,正常驱动时,在IGBT的门极驱动信号的上升沿和下降沿,返回一个900 ns的脉冲信号,即IGBT的“状态反馈信号”,此信号表明控制器开通、关断操作成功;控制电路接收到这个“状态反馈信号”后,开始组织进行下一步操作。IGBT的“门极驱动信号”波形和“状态反馈信号”波形,如图6所示。

第1代SRD系统中,没有“状态返回”信号,增加了电路误操作几率。

2)短路保护时,驱动信号的处理方式。发生短路时,驱动信号对IGBT门极的关断处理方式取决于功率电路的拓扑结构。二级拓扑结构中,驱动信号直接关断IGBT;三级和多级拓扑结构中,采用分级关断方式,由控制电路根据驱动信号反馈的情况,决定级联IGBT的关断顺序。

应用了光纤的驱动电路,给出2种处理方式,“2-level模式”和“3-level模式”。

“3-level模式”对应三级和多级拓扑结构。首先驱动信号第1个边沿反馈回900 ns宽的小脉冲,表明正常开通。短路保护后,约8.5 μ s,“门极驱动信号”仍跟随“PWM 信号”维持原状态,而“状态返回信号”则跳转为高电平,通知控制电路需要顺序关断IGBT,如图7所示。

图7 驱动信号短路保护的3-level模式Fig.7 3-level mode of short circuit protection used in driving signal

“2-level模式”对应二级拓扑结构。短路保护后,门极驱动信号直接关断IGBT,状态返回信号维持高电平约1s。目前应用的SRD系统功率电路,常采用结构简单的二级拓扑结构,所以,短路时,驱动信号对IGBT采用直接关断的处理方式,实测波形如图8所示。

图8 驱动信号短路保护的2-level模式Fig.8 2-level mode of short circuit protection used in driving signal

5.4 系统型式试验

负载情况下,应用了光纤隔离驱动技术的400kW/1 140V SRD系统,进行了严格的型式试验,试验项目如下。

1)电磁兼容试验。对控制电源分别施加2 000 V浪涌和5 kHz的电快速脉冲群干扰,控制器驱动电路工作正常;施加2 500 V电快速脉冲群干扰,控制电源断电保护,系统停机,重新上电后,系统正常工作。运行中,控制电源断电保护未对IGBT驱动信号造成影响,IGBT门极驱动波形见图9。

图9 负载状态下门极驱动波形Fig.9 Gate driving waves with load

2)过载 1.2倍的大功率负载、温升试验。IGBT峰值电流500 A时,关断边沿产生的过电压为184 V,此时直流母线电压为1.43 kV,IGBT没有发生误导通。运行状态良好,没有发生电磁干扰危害控制电路正常工作的情况。IGBT关断波形如图10所示。

3)大负载,单脉冲工作测试。大电流情况下,控制板工作正常。检测到的电流变化平稳,无毛刺,无干扰。IGBT的电流连续波形如图11所示。

图10 IGBT关断波形Fig.10 The turn off wave of IGBT

图11 IGBT电流波形Fig.11 The current wave of IGBT

4)系统进行了持续48 h的高温湿热试验(温度60℃,湿度95%RH)。绝缘状态良好,重新上电后系统工作正常。试验结果表明,光纤驱动技术可以应用于条件比较恶劣的工业现场。

5)将控制器的相输出直接短接,进行IGBT的短路保护试验。结果表明,保护动作准确、及时,用示波器监测短路瞬间IGBT的关断波形,没出现电压尖峰及高频震荡,IGBT工作状态良好。

6 结论

综上,在中压大功率SRD系统中,通过引入光纤隔离驱动技术,控制信号与驱动信号实现了光电隔离,杜绝了干扰问题,既实现了驱动控制,又监测了IGBT的工作状态,大大提高了SRD系统工作可靠性。目前,已有两套应用了此项技术的SRD产品,在矿用快速装车系统中持续运行1 a以上,用户反映工作状况良好。

[1]刘迪吉.开关磁阻电动机[M].北京:机械工业出版社,1994.

[2]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[3]高超.开关型磁阻电动机调速系统在煤矿机械中的应用现状与前景分析[J].煤矿机械,2003(7):96.

[4]晶川电子.EUPEC IGBT应用技术指南[Z].2005.