由PC923、929構成的驅動電路
上圖為東元7200MA變頻器 U相的驅動電路圖。15kW以下的驅動電路,則由PC923、PC929經柵極電阻直接驅動IGBT,中、大功率變頻器,則由后置放大器將驅動IC輸出的驅動脈沖進行電流放大后,再輸入IGBT的G、E極。
驅動電路的電源電路,是故障檢測的一個重要環節。不但要求其輸出電壓范圍滿足正常要求,而且要求其具有足夠的電流(功率)輸出能力——帶負載能力。每一相的上、下IGBT驅動電路,因IGBT的觸發回路不存在共電位點,驅動電路也需要相互隔離的供電電源。由開關電源電路中的開關變壓器N1繞組輸出的交流電壓,經整流濾波成直流電壓后,又由R68、ZD1(10V穩壓管)簡單穩壓電路處理成正18V和負10V兩路電源,供給驅動電路。電源的OV(零電位點)線接入了IGBT和E極,驅動IC的7、8腳則接入了28V的電源電壓。
光電耦合器的輸入、輸入側應有獨立的供電電源,以形成輸入電流和輸出電流的通路。PC2的2、3腳輸入電流為+5V*提供。此處供電標記為+5V*,是為了和開關電源電路輸出的+5V相區分。+5V*供電電路見下圖圖4。10。該電路可看作一簡單的動態恒流源電路,R179為穩壓管ZD7的限流電阻,穩壓管的擊穿電壓值為3。5V左右。基極電流回路中穩壓電路的接入,使流過Q8發射結的Ib維持一恒定值,進而使動態Ic也近似為恒定值。忽略Q8的導能壓降,電路的靜態輸出電壓為+5V,但動態輸出電壓值取決于所接負載電路的“動態電阻值”,而動態輸出電流總是接近于恒定的,這就使得驅動電路內部發光二極管能維持一個較為恒定的光通量,從而使傳輸脈沖信號的“陡峭度”比較理想,使傳輸特性大為改善。
圖4。10 驅動光耦輸入側供電電路
電路工作原理簡述(請參見圖4。5的PC923、PC925內部電路):
由CPU主板來的脈沖信號,經R66加到PC2的3腳,在輸入信號低電平期間,PC2形成由+5V*、PC2的2、3腳內部發光二極管、信號源電路到地的輸入電流通路,PC2內部輸出電路的V1三極管導通,PC2的6腳輸出高電平信號(18V峰值),經R65為驅動后置放大電路的Q10提供正向偏流,Q10的導通將正供電電壓經柵極電阻R91引入到IGBT的G極,IGBT開通;在輸入信號的高電平期間,PC2的3腳也為+5V高電平,因而無輸入電流通路,PC2內部輸出電路的V2三極管導通,6腳轉為負壓輸出(10V峰值),也經R65為驅動后置放大電路的Q11提供了正向偏流,Q11的導通將供電的負10V電壓——IGBT的截止電壓經柵極電阻R91引入到IGBT的G極,IGBT關斷。在待機狀態,PC2的3腳輸入信號一直維持在+5V高電平狀態,則驅動電路一直輸出-10V的截止電壓,加到CN1觸發端子上,IGBT一直維持于可靠的截止狀態上。
因IGBT柵-射極間結電容的存在,對其開通和截止的控制過程,實質上是對IGBT柵-射極間結電容進行充、放電的過程,這個充、放電過程形成了一定的峰值電流,故功率較大的IGBT模塊須由Q10、Q11組成的互補式電路跟隨放大器來驅動。
PC929驅動IC是兼有對驅動脈沖隔離放大和模塊故障檢測雙重“身份”的。由CPU主板來的脈沖信號從1/2、3腳輸入到PC923內部的光電耦合器,從11腳輸出后,經Q13、Q15兩級互補式電壓跟隨器的功率放大后,引入IGBT2的G極。此為驅動脈沖的信號傳輸電路路; PC929的9腳為模塊故障檢測信號輸入腳。正常工作狀態下,PC923的11腳輸出正的激勵脈沖電壓,使Q13導通,Q15截止。Q13的導通,將正偏壓加到IGBT2的G極上,IGBT2進入飽合開通狀態。忽略IGBT導通管壓降的話,IGBT2的導通即將U輸出端與負直流供電端N短接起來,提供輸出交流電壓的負半波通路,在導通期間,只要變頻器是在額定電流以內運行,IGBT2的正常管壓降應在3V以下。
PC929的9腳內部電路與外接R76、R77、D24、R73、D27等元件構成了IGBT管壓降檢測電路,二極管D27和負極接入了IGBT2的C極。PC929在發送激勵脈沖的同時,內部模塊檢測電路與外電路配合,檢測IGBT2的管壓降,當IGBT2正常開通期間,忽略IGBT2的導通壓降,U點電壓與N點電壓應是等電位的,N點與該路驅動電源的零電位點為同一條線。可以看到,D27的正向導通將a點電壓也嵌位為零電位點,即PC929的9腳無故障信號輸入,IGBT模塊OC信號輸出8腳為高電平狀態。當變頻器的負載電路異常或IGBT2管子故障時,雖有激勵偏壓加到IGBT2的G極,但嚴重過流狀態(或管子已經開路性損壞),使IGBT2的管壓降超過7V或更大,U、N之間高電壓差使D27于反偏截止,此時a點電壓是由R73引入的、經R78、D24、R77分壓的高于7V的電壓值,經R76輸入到PC929的9腳。PC929內部IGBT保護電路起控,對IGBT進行強行軟關斷動作,同時控制8腳內部三極管導通,進而提供了PC4光電耦合器的輸入電流,于是PC4將低電平的模塊OC信號報與CPU,變頻器實施OC故障保護停機動作。
IGBT模塊管壓降檢測電路中的D24二極管和C48組成消噪電路,以避免負噪聲干擾引起誤碼保護動作。
讓我們看一下驅動電路中R91、R92的作用,實際電路中,這四只電阻因模塊損壞帶來的強電壓沖擊下,造成開路、短路和阻值變大的情況比比皆是,它在電路中究竟起到什么樣的作用呢?
R91將驅動脈沖引入到IGBT管子的G極,表面看來,這是一只限流電阻,限制流入IGBT管子的驅動(充電)電流,因管子的開通速度越快越好,開通時間越短越好,電阻的阻值就不能太大,以避免與IGBT管子的輸入結電容形成一個較大時間常數的延時電路,這是不希望出現的。但過激勵也會導致IGBT的損壞。此電阻多為Ω級功率電阻,隨變頻器功率的增加其阻值而減小。此電阻還有一個“真名”,叫柵極補償電阻,因為IGBT管子的觸發引線有一定長度,觸發脈沖又是數千赫茲的高頻信號,所以有一定的引線電感存在,而引線電感會引起觸發脈沖的畸變,產生 “電壓過沖”現象,嚴重時會造成IGBT管子的誤開通而造成損壞。接入R82可對引線電感有所補償,盡量使引線呈現電阻特性而不是電感特性,有效緩解引線電感造成的電壓過沖現象。
R92并接于IGBT管子的G、E極間,第一個好處就是,將IGBT管子輸入端的高阻狀態變為低阻狀態。我們新購得的IGBT逆變模塊,出廠前是用短路線將G、E極短接的,這樣萬一有異常電壓(如靜電)加到G、E極時,短路線將很快將此一異常電壓吸收,而避免了IGBT管子因輸入端子遭受沖擊而損壞。電路中并聯R92也有同樣的用處,在一定程度上將輸入的“差分電壓”變為了“共模電壓”,消解了異常輸入電壓的沖擊作用;R92對瞬態干擾有一定的作用,又可稱之為“消噪電阻”;R92并接于IGBT管子的G、E極間,與IGBT的G、E結電容相并聯,此電阻又被稱為“旁路電阻”,將瞬態干擾造成的對G、E結電容的充電電流“旁路掉”,以避免其誤開通。R92又形成了IGBT管子輸入結電容的電荷泄放通路,能提高電荷的泄放速度,對于只采用單電壓供電(無負供電電壓)的驅動電路,此電阻的作用尤其重要。
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