变频器主回路中驱动电路和保护电路设计

Word变频器主回路中驱动电路和保护电路设计

今天我们来聊一聊（变频器）主回路中的驱动及（保护电路），当然，实际使用中，驱动和保护的设计需要结合应用的具体需求，所以今天讲到的不一定全面，但可以以此来做延伸~喜欢的话，还请大家多帮忙拉点人气，谢了

01驱动和保护

下面我们借助例子来聊聊变频器主回路中开关器件的驱动和保护，电路图如下：

如图所示，驱动脉冲WG3#低电平有效时，B点为低电平。当（IGBT）正常开通时，CE间电压较低(一般为1.7～3V，这里假设为2V)，W点电位较低，C点是15V的高电平，则A点经3k和510欧电阻分压得到1个电压约为5V(2+0.7+2)，该电压不足以导致反向器翻转，点F保持高电平，三极管不导通，FO为高电平;若IGBT发生短路故障，CE间电压VCE增大，导致A点电平升高，达到反向器的翻转电平，从而使F点为低，三极管导通，FO输出为低，从而产生故障（信号），同时B点也变成高电平，将该IGBT驱动脉冲封锁，达到保护IGBT的目的。D点到B点的反馈起个增强稳定的作用，去掉影响也不大。

下图是一个改进的模块驱动保护电路：

和之前的主要差别在于前者中IGBT发生短路故障时，导致A点电平升高，达到反向器40106的翻转电平时使F点为低，输出故障信号。这里40106的翻转电平对应的电压有个范围，而且不同厂商的产品可能会有所不同，这会导致过流点不准确，所以后者利用一只稳压管BZX84C7V5将A点的故障电位点限定在7.5V，当IGBT发生短路故障时，导致A点电平升高超过7.5V，稳压管导通，三极管Q3开通，C点为低电平，FO输出为低，从而产生故障信号。

此外上图中还增加了驱动电源欠压保护电路，当驱动电源VCC_U低于12V时，三极管Q2截止，D点、B点为高电平，使三极管Q3开通，产生故障信号。当驱动电源VCC_U正常为15V时，D点为低电平，对B点无影响。（二极管）D3的作用是单向导通，D点为低电平时，使保护电路对欠压电路部分无影响。

典型的IGBT（驱动电路）如下图。对于IGBT的驱动，由于IGBT的特性随VGE和RG变化，而且随IGBT的（电流）不同驱动功率有所变化，因此驱动电路的结构也有所不同。

门极驱动电阻RG对IGBT的动态特性有较大的影响。如图，IGBT的GE之间有个寄生（电容）CGE，该电容一般随IGBT容量增大而增大。RG越小，IGBT的栅极电容充电就快，开关时间短，开关损耗就小，但RG较小时使得IGBT开通时di/dt变大，从而引起较高的du/dt，增加续流二极管恢复时的浪涌电压，因此选择RG时需要折中考虑。RGE的作用是防止IGBT栅极电荷积累，一般取值是10k～100k。

GE之间的稳压管一般取值16～18V，防止栅极出现电压尖峰。

三极管Q1、Q2构成驱动功率推挽放大。IGBT开通时，门极正向电压最佳值为15V±10%;IGBT关断时，最好加个负偏电压，最好取值在-5～-10V之间。

采用对管驱动的目的在于，当Q1导通时，对IGBT的栅极电容充电，使IGBT导通，当IGBT需要关断时，Q2导通，为栅极电容提供放电回路，从而使IGBT基极电压迅速拉低，关断IGBT。如果没有下管，则无法为栅极电容放电，IGBT无法关断。

这里简单举例说明了变频器中IGBT的保护，关于IGBT的保护措施还有很多，找时间我们可以罗列一些(讲真的，有些东西一展开就没完了，O(∩_∩)O~还慢慢聊吧，唠着唠着就都有了)。

02小功率驱动电路

小功率驱动电路(门极驱动电流≤2A)，常见驱动方案是光耦驱动电路，主要有：

HCPL3120/PC923/TLP250

HCPL316J/PC929

等等各种适合的。

如第一节所示的驱动电路，适用于15kW以下(50A以下的IGBT)。主要特点是驱动采用单（电源）供电，关断时为零电压而不是负电压，上三路使用三个隔离电源，下三路(还有制动管)可以共用一个电源，简化了电源和电路结构。

为了进一步简化电源结构，4kW以下的机型可以采用自举电源，即全部驱动部分只使用一个电源，逆变桥的上下臂之间通过电容自举充电，用二极管实现隔离，如图。

以上只是一个桥臂的电路图，当驱动脉冲为负下桥臂T2开通上桥臂T1关断时，驱动电流按图中红线构成回路，同时由于T2开通，G点和D点具有相同的电位，这样16V驱动电源同时通过二极管D19对电容C10充电，FAEDG构成充电回路。

当驱动脉冲为正上桥臂T1开通下桥臂T2关断时，由于下桥臂T2关断，16V电源没有回路，此时只能由电容C10为T1提供驱动能量，驱动电流按图中蓝线构成回路。如果以G点为零电位，则D点电位为直流母线电压值(通常认为是536V)，此时电容C10正端A点的电位随D点自动抬升，其值为536V+15V，保证T1的GE之间的驱动电压为15V，因此该电路成为“自举电路”。图中二极管D19的作用是在电容C10作为T1驱动电源的时候隔离16V电源，从而实现电位自举。假如去掉二极管，则A点电位限制在16V，不能随随D点自动抬升，因而无法开通T1管。

上述自举电路的上桥臂靠电容储能提供驱动能量，驱动能力有限，因此一般只用于4kW以下的小功率驱动，其主要优点是减少了隔离驱动电源的路数，使结构更加紧凑，从成本上看，比四路驱动稍微便宜一点。

03中小功率驱动电路

对于18.5～30kW的机型，采用100～150A电流的IGBT，一般采用模块，驱动同样采用单电源供电，关断时为零电压，为了扩大驱动能力，输出级的推挽电路采用了两只三极管并联，而且每个IGBT都单独供电，如图：

04中等功率驱动电路

在37.5～75kW的功率段，随着IGBT电流和发热的增大，不能使用6管封装的模块，一般采用三个桥臂构成三相全桥，IGBT电流容量在150～400A之间。这时为了实现IGBT的快速关断，需要采用负偏电压关断。同时为了提高可靠性，每个IGBT都单独供电。

下图是带负偏的双（电源电路）图：

可以采用合适的驱动（芯片）来搭建驱动电路，此外，为了获得足够的驱动能力和反向关断功能，还可以采用桥式驱动电路：

桥式驱动每路只需要单电源供电，无需提供负偏反压，关断期间H桥本身在IGBT的GE之间产生了一个15V的负偏。主要缺点是该电路元件较多，焊接比较麻烦，这对可靠性有一定影响，而且关断期间负偏和开通期间的开通电压都是15V，IGBT关断电压一般（推荐）是-5～10V，-15V的关断电压会增加驱动功率，需要考虑增大电源容量。

桥式驱动电路也可以改成使用双电源的双管推挽驱动，增加了电源的复杂性，但节省了一对驱动管，效果和成本差不多。

05中大功率驱动电路

90kW功率段以上，受模块电流容量和散热的限制，需要对IGBT模块进行并联来扩大容量，这时候的驱动芯片需要根据实际的驱动能力要求来选择。该功率段一般不使用自搭的桥式驱动或推挽驱动电路，毕竟从可靠性角度讲，专用的驱动电