【導(dǎo)讀】時(shí)至今日，綠色、環(huán)保、低能耗、高能效等理念時(shí)刻影響著消費(fèi)者的決策。為此，廣大設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就需要盡量降低能耗，實(shí)現(xiàn)高能效。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）能夠幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)他們所面臨的設(shè)計(jì)具有更高電路效率和性能的產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。本文就為大家分析基于IGBT的高能效電源設(shè)計(jì)。
時(shí)至今日，綠色、環(huán)保、低能耗、高能效等理念時(shí)刻影響著消費(fèi)者的決策。為此，廣大設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就需要盡量降低能耗，實(shí)現(xiàn)高能效。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）能夠幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)他們所面臨的設(shè)計(jì)具有更高電路效率和性能的產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。本文就為大家分析基于IGBT的高能效電源設(shè)計(jì)。
IGBT工作原理：
IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。
當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴(少子)，對(duì)N一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。
IGBT工作特性：
IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)：
（1）靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。
IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似。也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。
IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th)時(shí),IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。
IGBT的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示
Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh(2-14)
式中Uj1——JI結(jié)的正向電壓，其值為0.7～I(xiàn)V;
Udr——擴(kuò)展電阻Rdr上的壓降;
Roh——溝道電阻。
通態(tài)電流Ids可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos(2-15)
式中Imos——流過(guò)MOSFET的電流。
由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為2～3V。
IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。
（2）動(dòng)態(tài)特性IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開(kāi)通延遲時(shí)間，tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1和tfe2組成，如圖1：
圖1：開(kāi)通時(shí)IGBT的電流、電壓波形
IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間,td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖2中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間。
圖2：關(guān)斷時(shí)IGBT的電流、電壓波形
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如何進(jìn)行IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)
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IGBT的固態(tài)高壓脈沖電源
高壓脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
高壓脈沖電源常用的主電路拓?fù)淇梢詺w納為兩類(lèi)：電容充放電式和高壓直流開(kāi)關(guān)電源加脈沖生成的兩級(jí)式兩種。電容充放電式是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間充電、瞬間放電，即通過(guò)控制充放電的時(shí)間比例，達(dá)到能量壓縮、輸出高壓大功率脈沖的目的。優(yōu)點(diǎn)是可以輸出的脈沖功率和電壓等級(jí)較高，脈沖上升沿較陡；但是，輸出脈沖的精度難以控制，而且重復(fù)頻率低，因而應(yīng)用范圍比較有限，主要應(yīng)用在核電磁物理研究、煙氣除塵、污水處理、液體殺菌等場(chǎng)合。兩級(jí)式結(jié)構(gòu)為高壓直流開(kāi)關(guān)電源級(jí)加上脈沖形成級(jí)的結(jié)構(gòu)。文中采用這種兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。兩級(jí)式有脈沖穩(wěn)定、可控性好、精度高、重復(fù)頻率變化范圍大等特點(diǎn)，因而適用范圍較廣，通用性較好。
圖3：高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
電源主電路結(jié)構(gòu)和工作原理
電源主電路原理圖如圖4所示，電路由工頻交流輸入、整流濾波、LCC串并聯(lián)諧振變換器、電容充電儲(chǔ)能、電感的緩沖隔離、IGBT全橋逆變、脈沖升壓變壓器等單元構(gòu)成。電路工作過(guò)程：220V交流通過(guò)整流濾波后得到低壓直流輸出，通過(guò)LCC串并聯(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲(chǔ)能電容C充電，經(jīng)過(guò)IGBT全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出。
圖4：主電路原理圖
圖4中LCC串并聯(lián)諧振變換器是此高壓脈沖電源充電電路的核心部分，由4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管IGBT與諧振電感Ls、串聯(lián)諧振電容Cs、并聯(lián)諧振電容Cp組成，工作原理是：利用電感、電容等諧振元件的作用，使功率開(kāi)關(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也?、?zhǔn)正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開(kāi)關(guān)管在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，減少開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的損耗，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)噪聲，降低EMI干擾和開(kāi)關(guān)應(yīng)力。
分析LCC串并聯(lián)諧振充電電路時(shí)，假設(shè)：1）所有開(kāi)關(guān)器件和二極管均為理想器件；2）變壓器分布電容為0；3）n2C》Cs；4）開(kāi)關(guān)器件工作在全軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率fs與基本諧振頻率fr的關(guān)系，LCC諧振變換器有3種工作方式：1）fs<0.5fr的電流斷續(xù)模式（DCM），開(kāi)關(guān)管工作在零電流/零電壓關(guān)斷、零電流開(kāi)通狀態(tài)，反并聯(lián)二極管自然開(kāi)通、自然關(guān)斷；2）fr>fs>0.5fr的電流連續(xù)模式（CCM），開(kāi)關(guān)管為零電流/零電壓關(guān)斷、硬開(kāi)通，反并聯(lián)二極管自然開(kāi)通但關(guān)斷時(shí)二極管有反向恢復(fù)電流，電路開(kāi)關(guān)損耗較大；3）fs>fr仍然為電流連續(xù)模式（CCM），與2）的區(qū)別是開(kāi)關(guān)管為零電流/零電壓開(kāi)通、硬關(guān)斷，電路開(kāi)關(guān)損耗同樣較大。諧振頻率為：
在此設(shè)計(jì)中，選用合理的逆變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，使LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，結(jié)合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使開(kāi)關(guān)損耗達(dá)到最小。
高壓脈沖形成電路
高壓脈沖的形成是利用IGBT構(gòu)成的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)前級(jí)產(chǎn)生的高電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制從而實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出，如圖4所示。
開(kāi)關(guān)Q5、Q7與開(kāi)關(guān)Q6、Q8分別在正負(fù)半周期交替導(dǎo)通，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出雙極性脈沖的頻率，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間即可調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調(diào)的雙極性高壓脈沖波。
高壓脈沖電源的控制
整個(gè)系統(tǒng)的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)恒定導(dǎo)通時(shí)間-恒頻控制的方法實(shí)現(xiàn)LCC串并聯(lián)諧振充電電路的軟開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)損耗，調(diào)節(jié)輸出電壓；及利用變 頻變寬的控制方法實(shí)現(xiàn)后級(jí)脈沖形成電路的輸出脈沖控制和IGBT同步觸發(fā)等。
TMS320F2812開(kāi)發(fā)板，內(nèi)部集成了16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)事件管理器模塊、一個(gè)高性能CPLD器件XC95144XL,可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)在內(nèi)的電源系統(tǒng)運(yùn)行全數(shù)字控制，提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。且采用軟件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，使得系統(tǒng)升級(jí)、修改更為靈活方便。
1）過(guò)壓保護(hù)
通過(guò)高頻降壓互感器檢測(cè)脈沖升壓變壓器原邊電壓得到電壓信號(hào)Ui，將Ui作為過(guò)壓保護(hù)電路的輸入電壓，將過(guò)壓保護(hù)電路的輸出信號(hào)接到DSPF2812的引腳，這樣迫使系統(tǒng)重新啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的目的，以達(dá)到保護(hù)負(fù)載的安全。
圖5：過(guò)壓保護(hù)電路
2）過(guò)流保護(hù)
當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)設(shè)定值或發(fā)生短路時(shí)，需對(duì)電源本身提供保護(hù)，系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)在系統(tǒng)的安全性方面占有重要的地位。過(guò)流保護(hù)電路與過(guò)壓保護(hù)電路相似，如圖4所示。將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)輸入到F2812的，啟動(dòng)保護(hù)程序，故障鎖存器置位，系統(tǒng)復(fù)位重新啟動(dòng)。
圖6：過(guò)流保護(hù)電路
電路的仿真分析
令k=Cp/Cs,圖5（a）為k=0.25諧振電流和諧振電壓波形。選擇直流母線電壓Vin=300V,開(kāi)關(guān)頻率fs=25kHz,脈寬tw=10μs,Lr=50μH,Cs=0.2μF,諧振頻率kHz,即滿足fs<1/2fr,LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，高頻升壓變壓器變比為1:4.高壓脈沖形成電路中，脈沖升壓變壓器變比為1:12,雙極性脈沖仿真波形如圖5（b）所示。
圖7：仿真波形圖
本文中的基于IGBT的高壓脈沖電源，我們分析了電源的各個(gè)組成部分及功能，并由DSP產(chǎn)生控制IGBT的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)電源的數(shù)字化控制，可精確控制輸出脈沖電壓、輸出脈沖寬度、頻率和輸出脈沖數(shù)等，且利用LCC串并聯(lián)諧振充電電路作為對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電的結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)裝置的快速充電和小型化，從而實(shí)現(xiàn)高能效。
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