基于IR2130的离网型太阳能逆变器驱动电路设计
2013-12-14尹伟华贺仲科
尹伟华，陈 德，贺仲科，李 然，唐 杰
(邵阳学院电气工程系，湖南邵阳422004)
0 引言
随着人们生活水平的提高，人们对能源的需求也日益提高，由于能源逐渐枯竭、环境污染等问题日益凸显，因此发展可再生能源已成为解决世界能源问题的必经之路.太阳能作为一种理想的绿色能源，具有储量大、经济利用、清洁环保的特点.因此，太阳能光伏发电成为当前国内外研究的热点之一［1-4］.太阳能光伏发电系统逆变器是整个太阳能光伏发电系统的核心，其性能的优劣直接影响到整个太阳能光伏发电系统的性能，因此研究和设计太阳能光伏发电系统逆变器也受到了更多人的关注［5-6］.
太阳能发电逆变器装置一般由主电路(本文主要指IGBT功率器件)、控制电路、驱动与保护电路组成.当主电路设计与控制方案确定后，驱动电路的设计就成为衡量本装置性能的指标之一.在实际应用中，当主电路功率开关器件选用IPM模块时，由于IPM模块内集成了驱动保护电路，因此使得逆变器装置的设计得到了简化，但选用IPM模块作为主电路时，它的容量、散热均存在一定的缺陷.因此本文只针对功率管为IGBT的驱动进行阐述.
图1 太阳能逆变器装置系统框图Fig.1 System configuration of solar inverter
驱动电路一般采用分立元件或者集成模块进行设计，分立元件设计灵活，成本相对低廉，但是其设计复杂，稳定性较差，难以满足太阳能逆变器装置的安全与稳定性的设计要求.因此采用智能集成模块成为电子驱动电路成为了一种趋势.国内外现已制造出多款性能优异的驱动电路模块.常用的有三菱的M57962L和M57959L，富士公司的EXB841和EXB850等，它们一般都具有高性能的电路参数、稳定性高且内部集成了隔离保护功能，但它们只能驱动一个IGBT功率开关器件，而中低容量的逆变器装置通常采用三相桥式作为主电路的拓扑结构.因此，除了需要多个采用上述驱动器来驱动六个功率管外，还需考虑多路驱动器的供电问题，这使系统的可靠性大大降低，并且增加了系统的复杂性［7］.本文采用的IR2130模块内集成了六路输出，只需一路电源供电，可以弥补上述驱动器的不足，给系统的驱动电路设计带来了便捷.
1 离网型太阳能逆变器装置简介
离网型太阳能逆变器装置系统构成如图1所示.本文所设计的太阳能逆变器装置的主电路主要采用三相桥式电压型逆变器结构，并联大电容C后，直流侧电压基本上无脉动相当于电压源输出.功率开关器件可选用频率较高的IGBT或者MOSFET，并采用SPWM调制技术，通过设计LC无源滤波器可有效的滤除太阳能逆变器装置中逆变所产生的谐波，消除给电气设备正常运行所带来的影响.控制系统由上位机和下位机组成，上位机(PC机)完成对太阳能逆变器装置电压、电流的实时监测，利用DSP中的A/D电路完成信号采集以及通过事件管理EV完成SPWM算法设计，输出合适的触发信号再经过本文基于IR2130的智能集成驱动电路完成对主电路中功率管的通断控制，达到设计要求.
2 IR2130简介
IR2130集成驱动模块是美国国际整流器公司生产的功率MOS器件(或IGBT)栅极驱动集成电路，它内部集驱动与保护功能，具有耐高压、输出频率范围广、低功耗、成本低、带有互锁时间等特点.另外，它可同时控制六个功率管的导通和关断顺序，这给三相逆变和控制电机的正反转带来了便捷.IR2130还具有欠压保护、过流和短路保护功能.IR2130的这些特性，简化了电力电子工程师对驱动电路的设计.
IR2130内部结构框图如图2所示，主要由集成的电流比较器、电流放大器、自身工作电源欠电压检测器、故障处理单元及清除封锁逻辑单元.IR2130输出驱动电压可达 10-20V，能较好的与 CMOS或者LSTTL输出兼容，最小可达2.5V逻辑电平，欠电压锁存所有通道，过电流关断六路通道.片内集成三个输入信号处理器ISG、三个脉冲处理和电平移位器PGLS、三个高压侧驱动信号锁存器LT，三个高压侧驱动信号的欠电压检测器UVDR及六个低阻抗输出驱动器DR和一个或门电路OR［8］.
图2 IR2130内部结构图Fig.2 Block diagram of IR2130
3 IR2130的外围电路设计
图3 驱动电路接线图Fig.3 Schematic diagram of drive circuit
根据IR公司的数据手册［9］所给出的驱动电路设计如图3所示，IR2130工作于三相全桥工作方式.为了表示方便，图中给出了1个桥臂的示意图，主电路中的其它两个桥臂的接法与之相同，只是输入的SPWM信号不同而已.R1为分流用的可调电阻，R2和R3组成过流检测电路，可通过结合运算放大器的设计得到合适的电压经过DSP采集显示，观察系统的运行情况.R4和R5是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用10到几十欧.IR2130的1脚(HIN1)、2脚(HIN2)、3脚(HIN3)分别作为逆变电路的上桥臂以及5脚(LIN1)、6脚(LIN2)、7脚(LIN3)作为下桥臂，由DSP实现SPWM脉冲信号的输入，可设置FAULT与DSP的外部中断引脚连接或者外接LED灯作为报警信号使系统更加安全可靠的运行.自举电容的容量主要取决于被驱动功率器件的开关频率，同时为了保证电容在放电过程中不至于低于IR2130内部的欠电压门槛，因此必须保证电容充电到合适的电压值，当被驱动的开关频率大于5kHz时，该电容值应不小于0.1uF，且以瓷片电容为好［10］.
4 IR2130驱动电路的优化
为了使IR2130在太阳能光伏发电系统逆变器装置更加安全稳定的运行，满足工程设计要求，而在同一类文献中没有较为全面的展开讨论，基于此，本文给出了一些技术细节的介绍.
4.1 IR2130印制电路板(PCB)问题
由于本文设计的基于IR2130的驱动电路是弱电部分与强电部分的接口，故逻辑信号的地线应与主电路的地线应进行合理的布置，通常可以采用分区设计或者采用电源和地的分割技术.为了减少交叉布线，既要避免电源线对信号线回路产生的共模干扰，还应使负载回路的布线尽可能的短，以减少PCB板上回路电感，同时还应在大电流的开关点上增加去耦电容以提高系统的EMI.其次是应使高dv/dt与低信号之间具有较好的隔离性能，以避免分布电容引起的耦合电流对信号线产生干扰.
4.2 IR2130 隔离问题
为了使系统更加安全可靠的运行，驱动电路一般要提供控制电路与主电路之间的隔离环节.而由IR2130的内部结构图可知，IR2130模块没有集成隔离模块，若主电路功率器件损坏，高压将直接串入IR2130，导致IR2130永久性损坏，损坏前级电路，给系统的正常运行带来严重的后果，所以应合理地选用其工作母线电压，一般用于最高母线工作电压不大于310V的场合.当IR2130的输入信号来自微处理器时，必须采取隔离措施，由于IR2130具有高端驱动功能，因此可使用普通光耦合器，以降低成本.本文给出一款基于6N137的隔离电路，其电路图设计如图4所示.电路的具体工作原理可参考手册［11］，这里不再赘述.
图4 6N137接线图Fig.4 Schematic diagram of 6N137
5 实验结果验证
将本文所设计的基于IR2130的驱动电路在离网型太阳能逆变器装置进行试验，以验证所设计的驱动电路是否满足设计要求，观察主电路IGBT的触发脉冲如图5所示，图6为太阳能逆变器空载时所输出的波形.
图5 触发脉冲波形Fig.5 Waveform of trigger pulse
图6 太阳能逆变器的输出电压波形Fig.6 Output voltage of solar inverter
6 结论
电力电子装置的安全稳定运行一直是电力电子科研人员关注的热点问题.作为电力电子装置的重要组成部分，合理的驱动电路设计能提高电力电子装置的性能，因此，对驱动电路的研究具有一定的实际意义.本文通过对IR2130及其外围电路的设计，在实验室完成了相关的实验，实验结果表明，基于IR2130器件能实现离网型太阳能逆变器中功率管的驱动应用.
［1］蔡宣三.太阳能光伏发电发展现状与趋势［J］.电力电子，2007，(2):3-6.
［2］吕芳.太阳能发电［M］.化学工业出版社，北京:2009:160-168.
［3］周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例［M］.北京:化学工业出版社，2010:1-10.
［4］孟懿.太阳能光伏发电的发展［J］.东北电力技术，2010，(11):19-21.
［5］范莉平.光伏发电逆变技术的发展趋势及其解 决 方 案 ［J］.电 气 技 术，2010，(8):153-156.
［6］刘栋.离网型光伏发电系统的研发［D］.广州:华南理工大学，2012.
［7］毕庆，张纯江，闫朝阳.高性能六输出MOS栅极驱动器 IR2130及应用［J］.信息技术，2000，(3):11-12.
［8］谢运祥.IR2130驱动器及其在逆变器中的运用［J］.微电机，2001，34(2):50-52.
［9］International Rectifier Company.Description and application manual for IR2130 drives［EB/OL］.http://www.irf.com.cn，2013-06-12.
［10］周志敏，纪爱华，等.IGBT驱动与保护电路设计及其应用电路设计［M］.北京:机械工业出版社，2011，7:99-105.
［11］Avago Company.Description and application manual for 6N137［EB/OL］.http://www.avagotech.cn，2013-06-15.
