可控型电力电子器件的隔离驱动

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(西安卫光科技有限公司，陕西西安，710065)

1 引言

电力电子技术、集成电路制造工艺技术、微控制器技术等高速发展，使得功率电力电子装置的应用越来越广泛，如输配电系统、功率补偿装置、电作动机构、变频电源，其应用遍布空、天、地、海军用领域，以及工业领域和民用领域[1,2]。随着宽禁带半导体技术的进一步发展，电力电子器件突破散热、开关损耗、开关延迟等瓶颈之后，其应用领域将会得到进一步的拓展[3,4]。可控型电力电子器件，能够让设计者通过控制器控制其开通和关断工作状态，改变主电路的输出功率，使被控对象的工作状态满足预期的需求，得到广大电力电子装置设计者的青昧。

在电力电子装置里面，可控型电力电子器件的驱动信号，是唯一的能够改变功率输出的因素[5]。连接驱动信号的一侧为电力电子器件。相应的电力电子器件置于功率主电路中，承受高电压、大电流的连续冲击。连接驱动信号的另一侧为微控制器。相应的微控制器及其相应外围电路属于弱电范畴。高压侧的电压波动，以及PWM斩波控制，会产生严重的电磁干扰，对微控制器的程序正常运行产生影响，严重时会损坏微控制器。因此在电力电子驱动电路设计过程中，往往采用隔离驱动技术，使得低压侧和高压侧不存在电气互联特性，切断高压侧电气干扰的途径，以保证微控制器在恶劣电磁环境中稳定可靠的工作，提供电力电子装置系统的可靠性[6]。

本文在分析可控型电力电子装置隔离驱动技术基础上，对比了典型隔离驱动方式的特点，以指导相关电力电子装置设计和电力电子模块化设计。

2 可控型电力电子器件驱动

为提高可控型电力电子器件电路的可靠性，驱动信号隔离技术经常被采用，其基本电路结构如图1所示。

图1 隔离型驱动电路框图

可控型电力电子器件驱动电路中，驱动信号的产生一般采用微控制器。微控制器的可选类型许多，如单片机、DSP、ARM等。微控制器产生驱动信号的方式，主要采用闭环的形式，对比给定信号和反馈信号，结合系统所采用的控制律，以PWM信号的形式进行输出。每个可控型电力电子器件对应一路PWM信号。

考虑到PWM斩波控制的对象为高压信号，且电路中的电磁干扰较为严重，隔离芯片经常被采用，以提高电路的可靠性。隔离芯片主要用于实现高压侧和低压侧的电气隔离。隔离芯片输入侧和输出侧的信号，在电源及地线方面不能共用，常通过DC/DC隔离电源模块，实现电源和地线的电气不相连。

对于可控型电力电子器件来说，其驱动信号存在诸多要求，如电压幅值、上升时间、下降时间等。在实际电路设计过程中，常采用专用芯片，实现驱动信号的驱动放大，以满足驱动信号的需求。IR系列的芯片，如IR2103、IR2130等，广泛应用于可控型电力电子器件的驱动信号驱动放大环节。

可控型电力电子器件在DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC四种电力电子变换电路中，存在广泛的应用。依据被可控的程度，可分为半控型电力电子器件和全控型电力电子器件。前者的典型代表芯片为晶闸管；后者典型代表芯片为MOSFET、IGBT。基于硅的电力电子器件，几乎占据整个电力电子装置市场。随着槽栅、FS、SJ等半导体生产技术的提升，基于硅的可控型电力电子器件制造技术，遇到瓶颈。宽禁带半导体器件在耐压、过流、开关速度、散热等方面的优势，使得该类器件具有较大的发展空间。国外的Cree、Rohm都有成熟的碳化硅MOSFET的市场产品。

3 隔离驱动技术

当前，应用于可控型电力电子装置的隔离驱动技术主要分类三大类：光电隔离、磁隔离、光纤隔离。下面将针对这三种隔离技术进行对比分析。

3.1 光电隔离技术

光电隔离技术主要通过发光二极管和光敏三极管实现信号的无电气互联特性传输，且发光二极管和光敏三极管集成在同一个芯片中，其原理图如图2所示[7,8]。

图2中，输入信号为高电平时，发光二极管D将导通，发出光源。光敏三极管T接收到发光二极管D发出的光之后，使得集电极和发射极之间导通。整个电路会输出低电平。输入信号为低电平时，发光二极管D将截止，使得光敏三极管T截止。集电极和发射极之间断路。借助于上拉电阻R2，整个电路会输出高电平。电阻R1为限流电阻，用于防止发光二极管D过流产生损坏。电路设计过程中，R1和R2电阻值需要设计者根据实际信号的需求自行选取。

图2 光电耦合信号传输原理图

光电隔离技术具有如下优点：

①成本低；

②芯片设计制造简单；

③输入信号的频率可以高达数十MHz。

光电隔离技术具有如下缺点：

①传输延迟较大；

②开关速度较慢，对信号的前沿和后沿产生较大的延时；

③多路应用中，各个光耦器件的参数需要一致，增加了电路设计难度。

3.2 磁隔离技术

磁隔离技术主要建立在变压器的初级线圈和次级线圈进行能量传输时，无电气特性相连基础上上[9,10]。实现磁隔离的主要途径是采用ADI公司生产的ADUM系列芯片。该系列芯片将CMOS技术和芯片尺寸变压器有机结合起来，其基本原理如图3所示。图中的变压器，是实现信号隔离的核心部件。

图3 典型磁隔离芯片工作原理

采用磁隔离技术具有以下特点：

①输入信号的频率可以高达百MHz；

②单个芯片可以实现多路信号的隔离，在多个可控型电力电子器件的联合控制过程中，具有独特的优势；

③属于电压型器件，外围电路设计较简单。

磁隔离技术具有如下缺点：

①芯片价格较高；目前主要采用国外的ADUM系列器件实现。

②强磁环境下应用的可靠性较低。

3.3 光纤隔离技术

光纤隔离技术主要通过光纤进行驱动信号的隔离，由发射器和接收器两部分构成[11,12]。发射器和接收器由两个独立的部件构成，有别于光电耦合器件的接收和发射在同一部件上。其基本工作原理如图4所示。

图4 驱动信号光纤隔离

图4所示的这种隔离技术实现过程中，接收器借助内部集成的LED灯，发出nm量级波长的光波。借助于光纤，光波将会被传送到接收端。接收器在接收端将光波解码后，控制可控型电力电子器件的开通和关断状态。当前，绝大多数光纤隔离，都采用Agilent公司的产品，如HFBR-1522型发射器、HFBR-2522型接收器。

光纤隔离技术主要具有以下优点：

①输入信号的频率可以高达MHz；

②传输距离远；

③抗电磁干扰性能好；

④隔离电压较高；

光纤隔离技术主要具有以下缺点：

①同时实现多个驱动信号的隔离，所需的外围部件较多；

②光纤的机械强度较低，使得光纤易损坏；

③光纤接口处理需要特殊的设备，制作较困难。

3 结语

可控型电力电子器件驱动信号的隔离，在电路设计过程中必须十分重视。从隔离信号处理的原理出发，对比不同隔离技术的基本原理、优点和缺点，给驱动信号的设计提供指导思想。伴随着智能功率技术的提升，给驱动、器件集成化设计，提供一定的基础。

[1] Wang Decheng, Lin Hui. A New MEMS Gyroscope Drift Suppression Method for the Low-Cost Untwisting Spin Platform[J]. IEEJ Transaction on Electrical and Electronic Engineering,2017, 12(2):262- 268.

[2] Guoguang Zhang, Hui Zhang, Xiaoyu Huang, et al. Active Fault-Tolerant Control for Electric Vehicles With Independently Driven Rear In-Wheel Motors Against Certain Actuator Faults[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2016,24(5):1557-1572.

[3] 柯俊吉,赵志斌,魏昌俊,等.寄生电感对碳化硅MOSFET开关特性的影响[J].半导体技术,2017, 42(3):194-199.

[4] 盛况,郭清. 碳化硅电力电子器件在电网中的应用展望[J]. 南方电网技术,2016,10(3):87-90.

[5] 林渭勋.现代电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2015.

[6] 赵敏,张东来,李铁才,等. 功率MOSFET隔离驱动电路设计分析[J].电力电子技术,2016,50(02):81-83.

[7] 吕正,颜湘武,曲伟,等. 适用于变频控制类芯片的新型光电耦合隔离电路[J].华北电力大学学报(自然科学版),2017,44(2):15-21.

[8] 杨广羽,马玉新,傅亚光等. 光电耦合MOS栅固态继电器回路研究与误触发改进措施[J].电力系统保护与控制,2016,44(15):135-141.

[9] 张驰.机载导弹一控四电动舵机控制器研究与设计[J]. 电子设计工程,2015,23(20):117-119.

[10] 刘二豪.外转子永磁无刷直流电机无位置传感器控制[D].西北工业大学,2015.

[11] 夏加宽. 基于光纤传输信号的十五相变频器设计[A].第十二届沈阳科学学术年会论文集(理工农医)[C].中共沈阳市委、沈阳市人民政府,2015.

[12] 任荣文. 光纤通信在交流伺服控制平台中的应用[A].全国冶金自动化信息网2009年会论文集[C].全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社,2009.