基于2SD315AI的静电除尘用高频高压电源研制

鲁 通， 马建荣 ， 陈 峰， 曾庆军

（1.江苏科技大学 电信学院，江苏 镇江 212003；2.镇江天力变压器有限公司 江苏 句容 212400）

伴随国家新的排放标准的出台，传统的工频除尘系统已经很难满足。目前，为了提高静电除尘器的除尘效率，节省系统的能耗，高频高压静电除尘电源越来越受到人们的关注。随着大功率高频电源在除尘系统中的应用，除尘效率得到提升，系统的功耗也有一定程度的下降。高频静电除尘电源作为整个静电除尘系统的核心，其性能的好坏决定着整个系统的效率。

文中给出了高频静电除尘系统的结构，对电路的各个模块进行了分析说明。针对大功率高频高压静电除尘的要求，介绍了一款适合于大功率IGBT的驱动模块，给出了驱动电路的原理图并对该电路的工作原理进行了分析和说明。最后，对设计的高频大功率IGBT驱动电路进行了实验验证。

1 系统组成

大功率高频高压静电除尘电源的系统框图如图1所示。电源系统主要由三相整流电路、全桥逆变电路、高频升压整流电路、控制电路、驱动电路和采集电路组成。

图1 高频电源的系统框图Fig.1 System of high-frequency power

2 电源主电路设计

电源主电路图如图2所示，三相工频电源经过交流电抗器后进入整流滤波电路后转化为直流电，经过串联谐振的全桥逆变电路后得到高频电压，最后通过高频变压器升压和高压硅堆整流后加载到负载上。图中C0和R0分别表示除尘负载的等效电容和等效电阻。

电路中，整流电路采用三相全桥不控整流模块。高频逆变器的功率开关管采用IGBT，它具有MOSFET的高输入阻抗和GTR的通态功耗低等优点。系统采用了LCC串并联谐振技术，该技术有效地降低了功率器件损耗增强了系统的可靠性，延长了系统的使用寿命。作为整个系统的关键组成部分，高频整流变压器性能好坏严重影响了电源的效率和寿命。高频变压器采用镇江天力变压器有限公司生产的DHR13系列高频整流变压器，额定直流输出电压80 kV，额定直流输出电流1.2 A。该高频整流变压器采用铁基纳米晶合金带材铁心，内置高压硅堆，采用油冷的方式，性能稳定可靠，很好的满足了大功率高频高压除尘电源的要求。

图2 电源主电路图Fig.2 Main circuit of the high-frequency power

3 控制电路设计

控制电路是逆变电路的核心，主控芯片产生20KHz的脉冲波，经过升压调理电路送至驱动模块，驱动模块将信号送至IGBT，完成对IGBT的开通和关断。当逆变电路出现故障时，驱动模块自动产生故障反馈信号，经过故障反馈电路后送至主控芯片。驱动控制电路的结构图如图3所示。

图3 驱动控制电路的结构图Fig.3 Structure of the driving and control circuit

主控芯片为TI公司生产的TMS320F2812系列DSP,采用内部的事件管理器（EV）模块中定时器1的周期寄存器、比较寄存器和计数器产生20 kHz的脉冲信号。通过定时器控制寄存器A设定合适的死区时间[3]。

TMS320F2812系列DSP所产生的脉冲波信号的电平仅为3.3 V，不能直接供给驱动芯片，必须经过3.3 V转15 V调理升压电路后才能使用。调理电路如图4所示。

DSP产生的20 kHz脉冲波信号经过光耦6N137隔离后，再经过三极管的放大作用转换为驱动所需要的高电平脉冲波。为防止过电压损坏器件，在输出侧加上一个15V的单相瞬态抑制二极管。

故障反馈如图5所示，电路采用光电隔离结构，可有效抑制电路的噪声。电路中采用R6作为限流电阻，当系统出现故障后，驱动芯片2SD315AI的状态位SO1被拉为低电平，则光耦的6号引脚输出为3.3 V的高电平。

图4 3.3 V转15 V电路原理图Fig.4 Level conversion circuit

图5 故障反馈电路原理图Fig.5 Fault feedback circuit

4 基于2SD315AI的驱动电路设计

为保证逆变模块的可靠工作，系统采用CONCEPT公司生产的2SD315AI系列驱动模块为IGBT提供驱动信号。该模块适用于1 200 V和1 700 V耐压的IGBT，具有短路保护和过流保护，具有极高的可靠性和长使用寿命，门及驱动电流高达15 A，电气绝缘高达4 000 Vac，

具有隔离的电气接口，具有供电电源监视和器件自检功能。

2SD315AI有两种工作模式：半桥模式和直接模式[4]。直接模式下，需要将模块的5号引脚和7号引脚接地，8号引脚接高电平，在这种1模式下两路输入通道是相互独立的，即INA影响通道1，INB影响通道2。直接模式下，死区时间通过程序给定。半桥模式下，输入信号INA和INB具有如下功能：INA作为PWM输入，INB具有释放PWM功能[5-6]。半桥模式下，通过外接RC网络，SCALE驱动器能够生成100纳秒到几微秒的死区时间。本系统采用直接模式，系统的驱动电路如图6所示。

图6 驱动电路原理图Fig.6 Principle of driving circuit

电压监视电路采用SCALE驱动推荐电路，当供电电压超过12.7 V时，驱动模块正常工作，当电压低于12 V时，模块关断。INA、INB为电路的两路输入信号，输入电压为+15 V。SO1、SO2为两路状态反馈信号，正常输出为高电平[7-8]。为防止两路脉冲同时为高电平导致同一桥臂的IGBT直通，在驱动输入侧添加了互锁电路，当其中一路为高电平时，强行将另一路拉低，保证系统的可靠工作[9]。

IGBT的门极电阻过大时，系统的损耗增大，过小时IGBT的电流尖峰较大，容易损坏器件，通过实验，选取合适的门极电阻。考虑器件的输出能力，门极电阻需满足公式1。

式中，VSS为驱动模块输出的最低电压，Iomax为流过门极电阻的最大电流，Rg_int为IGBT内部的等效门极电阻。

参考电阻的选取可参照式（2）。

式中，Vth为关断阈值电压。选取关断阈值电压为5.85 V，计算得Rth应取39 kΩ。

5 实 验

实验测得输入信号INA、INB的波形如图所示，从测得的波形图7可以看出经过升压调理电路后，电压的最大值近似为+15 V，两通道之间的死区时间约为4μs。

采用示波器测得G、E间的电压波形如图8所示，电压VGE的最大值为+16 V，最小值为-11.3 V，满足了IGBT的开通和关断。

当给整个系统加载200 V电压空载时，逆变输出的波形如图9所示，产生电压约200 V频率为20 kHz的方波信号。其中，示波器探头打到10倍衰减挡。

图7 输入实测波形Fig.7 Input waveform

图8 驱动输出电压波形Fig.8 Output voltage waveform of the driving circuit

图9 系统空载实测逆变输出波形Fig.9 Waveform of inverter without load

6 结 论

通过上述实验得知，2SD315AI驱动芯片能够很好的驱动大功率IGBT，具有很好的保护功能，可有效地减少电路设计，提高系统的效率和可靠性，是一种高效可靠的大功率驱动器件，在高频高压静电除尘电源中具有很高的应用价值。

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