一种IGBT集电极电压测量电路的设计

任强 孙驰 胡亮灯 陈玉林

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室,湖北 武汉 430033)

一种IGBT集电极电压测量电路的设计

任强 孙驰 胡亮灯 陈玉林

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室,湖北 武汉 430033)

由于大功率IGBT开通和关断集-射电压具有跨度大的特点,现有的大功率IGBT驱动检测电路无法同时实现宽范围、高精度的测量。为此提出了一种新的IGBT集电极开通和关断电压集成的测量电路。该电路通过电阻分压网络实现IGBT关断电压的测量;利用驱动信号来控制电流源向高压隔离二极管注入微小电流使其导通,并对此二极管误差进行补偿,实现IGBT导通饱和压降的精确测量。仿真和试验验证了设计电路的正确性和有效性,可为高压大功率IGBT高性能驱动器的研制奠定基础。

IGBT 集电极电压 饱和压降 电流源 测量

0 引言

现代变流系统中,大功率IGBT及其驱动器得到了广泛的应用。集电极电压作为IGBT的一个重要电气参数,对IGBT的正常运行有着重要作用[1]。目前,集电极电压主要应用在模拟式IGBT驱动器保护控制电路中,这些应用对集电极电压精度要求不高。随着数字式IGBT驱动技术的出现,IGBT集电极电压的宽范围、高精度测量和数字化,是数字式驱动器实现有效控制的基础,对判断IGBT是否短路、过流和过压等故障及结温在线估计,对变流器少传感器或无传感器控制及变流系统安全可靠运行起着重要作用[2]。

IGBT集电极关断、导通电压跨度大,对测量精度要求不同,特别是要通过饱和压降来进行状态识别和结温估计,需要饱和压降测量精度在几十毫伏量级[3-5]。现有的一些测量电路和测量方法只能实现一种电压状态的测量或测量精度难以满足应用要求[6-10]。本文提出了一种IGBT集电极电压测量方法,测量电压范围宽、低压测量精度高,测量结果满足实际应用需要。

1 集电极电压测量电路原理

根据IGBT关断和开通时的集电极电压跨度大、两种状态电压测量精度要求不同的特点,用两个测量支路分别对关断电压和导通压降进行测量。集电极电压测量电路原理如图1所示。

图1 集电极电压测量电路原理图Fig.1 Principle of the collector voltage measurement circuit

图1中,T1为待测IGBT;IGBT关断时的关断电压测量支路由电阻R1、R2组成;IGBT导通时饱和压降测量支路由二极管D1、D2,开关S,电流源I1、I2及电阻R2组成。D1、D2为同型号二极管,开关S由IGBT门级驱动信号控制。D3为测量输出稳压管,保护输出后级电路。UOUT为测量输出电压。

1.1 稳态时关断电压测量

当IGBT关断时,S断开,D1承受反压而截止。此时, IGBT集电极关断电压测量支路可简化为图2所示电路。

图2 IGBT集电极关断电压测量电路Fig.2 Measurement circuit of IGBT collector turnoff voltage

图2中,集电极关断电压经R1、R2分压,在R2上得到测量输出电压UOUT:

式中:UCEoff为IGBT关断集电极电压;UOUT为IGBT关断测量电路输出电压。

由于IGBT的关断电压很高,且要使测量支路功耗尽量小,因此,R1为耐高压大电阻,R2阻值较小。R1几乎承受全部的集电极关断电压,R2根据后级处理电路的输入限值而定。基于电阻功率和耐压能力的限制,R1可由几个同型号耐压较高的电阻串联而成。

1.2 稳态时饱和压降测量

当IGBT导通时,S闭合,电流源I1、I2导通二极管D1、D2。由于IGBT导通电阻相对于R2(千欧级)很小,故在IGBT导通后,I2几乎全部流经D1,I1全部流经D2。R1阻值很大(兆欧级),相对于二极管导通电阻,可认为R1开路。因此,在IGBT导通下,图1所示集电极电压测量电路可简化为图3所示电路。

图3 IGBT集电极饱和压降测量电路Fig.3 Measurement circuit of IGBT collector saturation voltage drop

此时,饱和压降测量电路有如下电压关系:

式中:UD1、UD2分别为二极管D1、D2导通压降;UCEon为IGBT导通集电极饱和压降;UOUT为IGBT饱和导通下测量电路的输出电压。

考虑到二极管导通压降受IGBT工况的变化而变化,要实现IGBT集电极饱和压降的精确测量,需要对二极管进行误差修正。根据二极管正向导通压降u满足如下关系式:

式中:i为二极管正向导通电流;T为环境温度;IS为二极管反向饱和电流;q、k为常数。

从式(3)可以得出,二极管导通压降受环境温度以及正向导通电流影响。当两同型号二极管在相同环境温度下,通以相同的正向电流时,两二极管的正向导通压降基本相同。

基于以上分析,由于二极管D1、D2相隔很近,所处的环境温度基本相同,当电流I1、I2大小相等时,两二极管导通压降基本相等,即:

代入式(2),可得到IGBT导通饱和压降测量值UOUT:

此测量支路在基于文献[9]中的退饱和电路上,通过反向串联相同的二极管D2,并通以相同的电流,利用D2导通压降的反向补偿,可以较好地消除由二极管导通压降引入的误差。此方法理论上可以得到精确的饱和压降值,测量精度高。

电流源I1、I2通过镜像电流源电路实现,如图4所示。

图4 镜像电流源电路Fig.4 The circuit of current mirror source

当调节电阻R时,可以改变流过R的基准电流IR的大小,从而得到需要的输出电流I:

式中:UCC为电流源供电电源;UBE为基-射电压;R为镜像电流源参考电阻。

此镜像电流源对三极管精度要求较高,要达到较为理想的电流镜像,需要两个PNP管的参数高度一致。故在实际设计中,输出电流存在一定的误差。在实际应用中,可以用电流源芯片代替镜像电流源电路,电路更简单,效果更好。

1.3 测量电路开关过渡过程分析

由于IGBT开关过渡过程很快,当集电极电压在关断高电压和饱和低电压两种稳态间切换时,快速变化的集电极电压会对测量结果产生一定的影响。

当IGBT关断时,集电极电压迅速上升,二极管D1反向恢复。此反向恢复电压较高,会在R2上产生瞬间高压尖峰,给后级电路造成破坏。因此,为保证测量电路的安全可靠,在输出端并联稳压二极管,对瞬时尖峰进行抑制。同时,由于电流源电路及线路分布电容的影响,关断后瞬间,测量输出电压滞后实际关断电压。为解决此现象,可在R1两端并联一小电容,补偿因分布电容对IGBT关断集电极电压造成的滞后。

当IGBT开通时,集电极电压迅速下降,二极管D1承受的反向电压迅速减小。同时S闭合,I1、I2全部流经D2,在R2上产生恒定输出电压。当IGBT集电极电压下降到和输出电压相等时,I2从D2支路换流到D1支路,测量电路进入饱和压降的测量状态。

2 仿真研究

为验证所设计的测量电路的有效性,根据设计方案,基于PSPICE16.3,对图1所示集电极电压测量电路进行了仿真。仿真参数:IGBT为三菱公司CM400HA-34H型模块,R1=6 MΩ,R2=30 kΩ,I1、I2=1 mA。仿真结果如下。

①不同母线电压下仿真结果。在母线电压分别为400 V、800 V和1 200 V时,IGBT关断和开通集电极电压及其测量波形仿真结果如图5所示。

图5 不同母线电压时集电极电压仿真波形Fig.5 The collector voltage simulation waveforms under different bus voltages

图5(b)中,对不同的母线电压情况,根据式(1),将测量值乘以比例系数后与集电极电压实际值作对比。可以看出,集电极关断电压测量值和实际值相差约10 V,说明测量电路能较好地跟踪母线电压的变化,测量范围可根据实际需要进行参数调整。从5(c)中可以看出,当母线电压增加时,IGBT饱和压降也增加。饱和压降测量值和实际值重合性好,测量误差小于10 mV。

②不同温度下仿真结果。母线电压800 V、负载电流100 A、仿真温度由0～150℃变化时,稳态下IGBT导通饱和压降实际值和测量值波形如图6所示。

图6 饱和压降随温度变化情况Fig.6 Variation of saturation voltage drop with temperature

从图6可以看出,随着温度的升高,IGBT集电极饱和压降值会升高,而饱和压降仿真测量值能很好地跟踪饱和压降实际值的变化,实现高精度测量。

从以上仿真结果可以得出,此测量电路能较精确的测量IGBT关断和开通时的集电极电压。

3 试验研究

为了进一步验证测量电路的正确性,设计了测量电路板,并基于Buck电路进行了试验验证。试验中, R1由6个1 MΩ/500 V电阻串联而成;R2的阻值为30.1 kΩ;I1、I2均设计为1 mA;IGBT为英飞凌FZ1500R33KF2C模块;高压探头为PINTECH DP-50差分探头以及通用低压探头。试验中通过电容的储能和瞬间放电来得到大电流。随着电容的放电,电容电压降低。

本试验中,用高压探头和低压探头分别测量高压下的关断电压实际值和测量输出值,并根据式(1),将测量值乘以比例系数后与实际值作对比,以验证关断电压的测量准确性。由于高压探头的低压测量精度不高,无法对集电极饱和压降实际值进行精确测量。因此,根据IGBT在高压下的饱和压降等效于低压大电流下的饱和压降,在验证饱和压降测量准确性时,以低压大电流模拟高母线电压下的饱和压降,用两个低压探头分别测得饱和压降实际值和测量输出值,并将测得的实际值和测量值作对比,以此验证饱和压降测量的准确性。试验分以下两步进行。

①母线电压为2 000 V,负载为1 mH感性负载,驱动脉冲为双脉冲,关断电压的试验波形如图7所示。

图7 IGBT关断时集电极电压测量波形Fig.7 Measurement waveforms of IGBT collector voltage(turn off)

图7中,第400～600 μs为IGBT关断期间。在IGBT关断瞬间,由于二极管的反向恢复,使得集电极电压测量值和实际值出现关断尖峰。同时,由于高压测量支路分压电阻较大,且受寄生电容的影响,测量值较实际值有40 μs的延时,其后测量值能很好地跟随实际值,测量误差在20 V以内。试验结果和仿真结果吻合。

②母线电压为150 V,负载为0.1 mH电感,大电流下对IGBT饱和压降进行测试,其饱和压降测量结果如图8所示。

图8 IGBT导通时集电极饱和压降测量波形Fig.8 Measurement waveforms of IGBT collector saturation voltage drop(turn on)

图8(a)中,第0～1.6 ms和2.0～2.8 ms为IGBT导通期间。由于示波器的量程选择较小,集电极电压波形被截断,不显示更高电压值。从图8(a)可以得出,IGBT集电极电流最大为1 100 A,饱和压降可达2 V,与2 000 V母线电压时的饱和压降值接近。这说明利用低压大电流来模拟高压下的饱和压降是有效的。图8(b)中,饱和压降测量波形和实际波形几乎重叠,测量电路在饱和压降实际值发生变化时,测量值能很好地跟随实际值,测量误差在20 mV以内,测量精度较高。

4 结束语

本文提出了一种新的IGBT集电极开通和关断电压集成的测量电路,以电阻分压网络实现对IGBT关断电压的测量,电路简单,测量电压等级高。基于退饱和检测电路,通过控制电流源,向IGBT集电极主动注入微小电流导通高压隔离二极管,并通过串联二极管对高压隔离二极管进行误差补偿,实现对IGBT导通压降的精确测量,测量精度可达十毫伏级。仿真和试验验证了上述结论的正确性。此测量电路对数字式中大功率IGBT驱动器的设计有一定的借鉴作用;对实现IGBT的状态检测、保护和结温的在线估计具有较好的利用价值。

[1] John V,Suh B S,Lipo T A.High-performance active gate drive for high-powerIGBT's[J].IEEETransactionsonIndustry Applications,1999,35(5):1108-1117.

[2] Barlini D,Ciappa M,Castellazzi A,et al.New technique for the measurement of the static and of the transient junction temperature in IGBT devices under operating conditions[J].Microelectronics Reliability,2006,46(9):1772-1777.

[3] 杨旭.基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[4] 刘希真,周文俊,尤佳,等.IGBT工作结温的状态识别[J].天津大学学报,2002,35(2):21-25.

[5] 徐铭伟.绝缘栅双极型晶体管仿真模型及应用研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[6] Lobsiger Y,Kolar J W.Voltage,Current and temperature measurement concepts enabling intelligent gate drives[C]//European Center for Power Electronics(ECPE)Workshop-Electronics Around the Power Switch:Gate Drives,Sensors,and Control.2011.

[7] Wang Y,Palmer P R,Bryant A T,et al.An analysis of high-power IGBT switching under cascade active voltage control[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009,45(2):861-870.

[8] Kim Y S,Sul S K.On-line estimation of IGBT junction temperature using on-state voltage drop[C]∥Industry Applications Conference, Thirty-Third IAS Annual Meeting.IEEE,1998:853-859.

[9] 陈玉林,孙驰,张成,等.一种中大功率IGBT数字驱动器研究[J].电力电子技术,2011,45(11):124-128.

[10] Carsten B.A clipping pre-amplifier for accurate scope measurement of high voltage switching transistor and diode conduction voltages[C]// ProceedingsoftheInternationalPowerConversion,Intertec International,INC,1995:335-342.

Design of the Measurement Circuit for IGBT Collector Voltage

As the feature of large collector-emitter voltage span for turning-on/turning-off the large power IGBT,the existing IGBT drive detection circuit is unable to achieve both wide range and high precision measurement.For this reason,the new integrated measuring circuit for IGBT turning on/turning off voltage is proposed.The measurement of the turning off voltage of IGBT is realized through resistor voltage divider network,the drive signal is used to control current source for injecting small current to turn on the high voltage isolation diode,and the error of diode is compensated for implementing accurate measurement of the saturation voltage drop of IGBT.The results of simulation and experiment verify the correctness and effectiveness of the circuit designed,this lays the foundation for developing high performance drivers for high voltage large power IGBT.

Insulated-gate bipolar transistor(IGBT) Collector voltage Saturation voltage drop Current source Measurement

TM133

A

国家自然科学基金资助项目(编号:51177170)。

修改稿收到日期:2014-01-06。

任强(1989-),男,现为海军工程大学电气工程专业在读硕士研究生;主要从事电力电子与电力传动的研究。