基于IGBT斩波电路的大功率负载研究

孟繁伟，常铁原，张 苑

（河北大学 电子信息工程学院，保定 071000）

基于IGBT斩波电路的大功率负载研究

孟繁伟，常铁原，张 苑

（河北大学 电子信息工程学院，保定 071000）

0 引言

PWM斩波电路因其功率因数高、可控性好而广泛用于电力电子行业。作为斩波电路的优势开关器件[1]，绝缘栅双极晶体管IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，具有通流能力强、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动功率小等特点。IGBT是一种电压控制型电力电子器件，通过控制栅极电压能稳定控制其导通与关断，从而实现电压调节。IGBT的驱动与保护是其主要研究问题，尤其是大功率条件下，如果IGBT的导通和关断时间增加，必然造成损耗增大。良好的驱动电路应使其处在较理想的开关状态且禁止误导通。主要研究IGBT斩波电路在大功率模拟负载中的应用，说明驱动电路和保护电路的设计思路。

1 斩波电路设计

1.1 器件选择

在实际工程中，常需要在市电条件下用大功率负载产生短时间大电流。该电流往往可调[2]，以便用于对某些设备的测试和研究。本模拟负载单路能提供最大50A的电流，功率达14KW并可根据实际需求多路并联。

IGBT选择仙童公司的FGY75N60SMD，该器件集射间耐压600V，内含保护二极管，可防止IGBT导通瞬间的浪涌。TC=25℃时最大通过电流为150A，TC=100℃时为75A。由于极间存在纳法级电容，而IGBT输入阻抗无穷大，因此栅极注入一定正电荷使栅极电压大于导通电压，IGBT即可导通，且导通程度深，开关特性好。栅极耐压值为±20V，栅射导通压降典型值为5V。

根据该管特点及电路设计要求，选择IR公司的IR2125作为IGBT驱动芯片。该芯片采用先进的高压集成电路和无闩锁CMOS技术制作，源电流达1A，汇电流达2A，高侧浮动电源电压VB达525V，输出栅极驱动电压为12～18V。自举模式时，能工作在几十赫到几百千赫的频率范围内。输入电流典型值为4.5µA，易驱动。由于内部采用了自举技术，驱动芯片可以驱动工作于高端和低端的N沟道MOSFET或IGBT。具欠压自锁功能，可实现自身欠压保护。输入逻辑电平兼容2.5V、5V和15V，输出与输入同相。

多路IGBT并联时，需多个IR2125作驱动器，为弥补单片机输出的PWM驱动能力不足的问题，选取高速单通道光耦6N137作第一级驱动器。其转换速率达10Mbit/s，集电极开路反相输出，扇出系数为8，工作电流典型值为5mA，输出典型值为13mA，延迟时间为75ns。

1.2 驱动功率计算

输入电容Cies、输出电容Coes和反向电容Cres是影响IGBT驱动功率的三个重要参数。IGBT完全开启，需使Cies和Cres充满电，Coes完全放电。这些参数的影响，最终体现在栅极电荷Qg上，因此驱动电路设计中最重要的参数是Qg。单个IGBT所需驱动功率可据式（1）得到：

其中f=100KHz，Qg=248nC，ΔU=15V，则功率P=0.37W。

1.3 栅极电阻选择

驱动芯片与IGBT栅极间串接电阻Rg在驱动电路[3]的设计中十分重要。原因如下：

1）IGBT栅极和射极间存在结间电容，栅极回路中存在寄生电感，若不串接栅极电阻，栅极回路在脉冲的激励下会产生强烈振荡，串接电阻可加速衰减。

2）若不串接栅极电阻，IGBT导通会产生电压钳位，驱动芯片功耗变大，易烧毁。

3）IGBT的开关速度受栅极电阻影响，栅极电阻小则开关速度快，损耗小；反之则速度慢，损耗大。经测试，Rg为20Ω时PWM波形好，芯片发热量小。

4）栅极电阻的功率由IGBT的栅极驱动功率决定，功率降在Rg上能够降低驱动芯片的功耗。单路IGBT驱动功率为0.37W，选择1W电阻即可。

1.4 栅极驱动电流

IR2125输出电流典型值为1A，因此要将栅极电流限定在1A以内。栅极电流可据式（2）得到：

当栅极电阻Rg=20Ω时，IG=0.75A，IR2125能够满足驱动所需。

1.5 欠压自锁电路与自举工作模式

IR2125内部集成欠压自锁电路[4]，当管脚VB与VS间电压低于限定值10.4V时，欠压自锁电路便将输出关断。当电压值再次高于限定值后，输出保持自锁状态，直到输入状态发生变化输出才回到正常状态。

图1 单路驱动电路

D1为自举二极管，C6为自举电容[5]。电源通过D1向C6充电，C6储存足够电荷以保证驱动能力。为使管脚VB与VS间电压高于限定值，应使开关频率大于几十赫兹，否则C6上的压降会造成两管脚间的电位差低于限定值。D1选取快恢复型二极管FR307，其最大反向电压1000V，最大平均正向电流3A，最大正向浪涌电流200A，最大反向漏电流10µA，最大反向恢复时间500ns。FR307反向漏电流小，可减少C6对电源的反馈电荷。图1为其中一路驱动电路，R1为限流电阻，R2为上拉电阻。

1.6 IGBT电路设计

IGBT的一个重要参数为最大开关频率，该参数由关断延迟td(off)确定，据应用经验，最小开关时间约为关断时间的40倍。该管的关断延迟典型值为136ns，据经验值可得最大开关频率约为180KHz，因此该器件满足开关频率要求。

此外，设计IGBT电路时还应注意以下五点：

1）栅极耐压值为±20V，栅极和地间对接两个18V/1W稳压管，使栅极电位限制在18.7V内。

2）栅极输入阻抗为无穷大，充电电荷可长时间存于输入电容中，易引起误导通。栅极和地间接一个10KΩ/0.25W电阻，极间电容和电阻便形成回路，将电荷快速释放。

3）驱动电路提供100KHz方波，栅极电容快速充放电，在栅极和地间接10µF电容保护栅极[6]。

4）集射间加滤波电容，实验证明容值为0.033µF时滤波效果好，D4和D5起保护和续流作用。

5）多路直接并联时，分流不均现象会导致分流大的管子烧毁，加入功率电阻进行均流[7]，实验证明均流电阻压降为管子门槛电压的1/5为好。此时电流为50A，门槛电压为5V，据欧姆定律得均流电阻RCS为0.02Ω。当某一路电流增大，均流电阻电位增大、栅射间电压减小、导通程度变小、集射间电流减小，最终各路实现均流。

负载电阻选取大功率绕线电阻，实验证明，1s内6Ω/300W的绕线电阻RL即可满足50A电流状况，电阻可根据实际并联得到。调整占空比可改变电压和电流有效值，计算过程如式(3)～式(5)所示。

D为PWM波占空比，U0为整流后电压VL，I0为直流下单路电流，P为直流下单路功率，U为改变占空比后电压，I为改变占空比后单路电流。

据上述公式，5路IGBT并联可提供100～750A电流。图2为其中一路斩波电路，为了保护主板芯片，加入隔离型升压DC-DC，将斩波电路和其余部分的公共端分开并升压至+15V。利用三端稳压芯片78L05产生+5V电压。

图2 单路IGBT斩波电路

2 PWM波发生

2.1 发生器件选择

PWM波跳变沿理想程度是影响IGBT开关特性的重要因素。采用内部集成可编程计数阵列PCA的单片机C8051F340作为PWM发生器，PCA提供增强的定时器功能，更加精确，跳变沿更加理想。

2.2 原理与算法

PCA由一个专用的16位计数器/定时器和5个16位捕捉/比较模块组成，有8位、16位两种脉宽调制器，为得到较高频率，选择8位脉宽调制器。PWM输出信号频率取决于PCA的时基，使用捕捉/比较寄存器PCA0CPLn能改变PWM输出信号的占空比。当PCA的低字节PCA0L与PCA0CPLn中的值相等时，输出置高；当PCA0L中计数值溢出时，输出为低。8位脉宽调制方式产生的PWM频率由式（6）给出。

f0为PCA时基信号，选择24MHz时钟，则PWM频率为93.75KHz。

占空比D是高电平在一个周期内所占的时间比，此处由式（7）给出。

PCA0CPHn为初值，据公式可得占空比调节范围为0.39%～100%。

程序中设置占空比为变量，根据占空比反算出PCA0CPHn并对其赋值。利用定时器中断控制PWM波保持时间。

3 结束语

设计了稳定的斩波电路，加入了合理的保护，多路并联使用可满足大功率需求。利用单片机产生占空比和保持时间可调的PWM波，能够有效控制回路中电流大小，从而满足不同设备的要求。为某些市电设备的在线测试提供了一个解决思路。

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]刘志刚,和敬涵.基于电流型PWM整流器的电子模拟负载系统研究[J].电工技术学报.2004,19(6):74-77.

[3]王永,沈颂华.一种简单的IGBT驱动和过流保护电路[J].电测与仪表,2004,41(4):25-27.

[4]乔纳森·亚当斯.使用电流感应IR212X栅极驱动IC[J].电子质量,2002,(5):63-65.

[5]楚斌. IR2110功率驱动集成芯片应用[J].电子工程师,2004,30(10):33-35.

[6]王世杰.IGBT栅极驱动技术探讨[J].光学精密工程, 2000,8(1):76-78.

[7]查申森,郑建勇,苏麟,等.大功率IGBT并联运行时均流问题研究[J].电力自动化设备,2005,25(7):32-34.

High-power IGBT chopper circuit in the application of the low voltage electric leakage check

MENG Fan-wei, CHANG Tie-yuan, ZHANG Yuan

介绍一种用于实际工程的大功率负载，该负载基于IGBT斩波电路。与传统模拟负载相比，该电路的特点是电流大，功率高。采用C8051F340产生占空比及保持时间可调的PWM波，用于调整电流大小。为IGBT设计了可靠的隔离电路，将CPU部分与IGBT部分隔离。设计了稳定的保护电路，可以避免IGBT烧毁。为IGBT并联选择了合适的均流电阻，控制其导通程度。选择高频率IGBT作为开关器件，使其工作在100KHz左右。利用单片机控制PWM的保持时间，保护IGBT的同时增加了测量的准确性。

IGBT斩波；大功率；可调可控

孟繁伟（1988 -），男，河北廊坊人，硕士研究生，主要从事信号检测与处理研究。

TN710

B

1009-0134(2014)06(上)-0154-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).44

2013-12-09