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采用HCPL-316J或者PC929驱动的IGBT大功率变流器设计

直流输电、SVG无功补偿、高压大功率变频器、风电、光伏、电动汽车......绝大部分的大功率变流器广泛采用IGBT,IGBT在大功率电力电子设备中的重要地位不言而喻。

本帖通过实例详细讲解IGBT大功率变流器设计技术。IGBT大功率变流器设计技术涉及多项技术,本文只介绍功率单元(功率模块)的硬件设计。

首先,介绍西门子旗下罗宾康公司的产品,高压大功率变频器的功率单元,罗宾康公司原是美国的公司,后被西门子收购。高压大功率变频器是驱动高压大功率电机的调速系统,变流器由多个功率单元串联组成。

我们来看一些图片:

图一,功率单元外观

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上图就是罗宾康的功率单元,上部是电解电容箱,电容箱的右侧是控制板。下部是功率电路,左边是散热器,前进风,右边是功率器件。AC690V三相输入,由4个IGBT组成全桥逆变,单相输出。图中中间三根电缆是输入上下两边的电缆是输出。

图二,功率器件1

微信图片_20191114104603.jpg

图三,功率器件2

微信图片_20191114104606.jpg

靠近熔断器的模块是IGBT,靠近散热器尾部的模块是三相整流桥。

图四,控制板

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整个功率单元就一块PCB,左边是4路IGBT的驱动保护电路,中下是开关电源,右边是信号处理。我重点介绍IGBT的驱动保护电路。

图五,驱动电路照片

微信图片_20191114104611.jpg

图六,驱动电路原理图

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上一帖“图六:驱动电路原理图”是我根据实物测绘的

下面的“图七:驱动电路原理图(罗宾康)”是罗宾康提供的技术文件中的原理图。我所得到的罗宾康功率单元实物是比较早期的产品,所以两个原理图略有差异。

图七,驱动电路原理图(罗宾康)

微信图片_20191114104617.png

图八,开关电源原理图

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IGBT的驱动电路的设计有几个要点:

1、驱动电路的供电电压

从“图八:开关电源原理图”上可以看到,有4路28V输出,这是给4路IGBT驱动的供电。必须将单一的28V分为正负,“图六:驱动电路原理图”中由R51和ZD1(稳压管)进行分压。IGBT导通的最佳驱动电压是+15V,最大允许1.5V上下波动。驱动电路使用的IC为PC929,这是一个极为常用的IC,这里就不作详细介绍。PC929的驱动能力只有0.4A,肯定是不够的,必须扩容。这样,供电电压与驱动输出电压就有2V的压差,分压值应该为+17V和-11V。

2、驱动电路的短路保护

PC929的9脚是检测IGBT是否短路的,该脚是很灵敏的,极易受干扰,所以,用R83,R64,C17,D23,R49,C6(图七)组成了滤波电路。同时这些阻容(加上R63)的参数也决定了盲区时间。

3、驱动故障回报的光耦选型

驱动故障回报的光耦选型必须选用高抗共模干扰的光耦,如图七中的(PS5)TLP421,可替代型号有TLP781、PS2501。这类光耦的输入/输出的电容都很小。

再来看看我的IGBT驱动保护电路设计。

图九,使用HCPL-316J的原理图

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图十,开关电源原理图(我的设计)

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图十一,使用HCPL-316J的控制板

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1、四路IGBT驱动电路在PCB板的中上部,由于使用的HCPL-316J的功能很全,比PC929使用的元件少,所以,占用的PCB板面积很小。

2、给四路驱动电路供电的开关电源的主电路在PCB板的中下部,变压器在两路驱动电路(同一桥臂的IGBT)的之间,从“图十:开关电源原理图(我的设计)”中可以看到,这个开关电源由24V供电,用了两个变压器(卧式EE19),初级并联,每个变压器给两路驱动电路提供隔离供电。实际设计中,还有多个变压器的初级并联,提供了多路隔离供电。

3、“图九”中的C719、C720、R712组成防干扰滤波电路。

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