MMC(Modular Multilevel Converter)換流站被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)輸電、柔性高壓直流輸電等場(chǎng)合，越來越受到廣大科研人員的關(guān)注[1]。MMC換流站系統(tǒng)由A、B、C三相構(gòu)成，每相由上、下橋臂組成。對(duì)于5電平MMC換流站，其每相有8個(gè)子模塊，3相共有24個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊中有2個(gè)IGBT，共有48個(gè)IGBT，如果換流站擴(kuò)容，增加電平數(shù)，則會(huì)有更多的IGBT投入工作。如何使MCU控制電路產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT的工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路能夠發(fā)送故障信號(hào)給MCU控制器并能響應(yīng)MCU控制器發(fā)來的復(fù)位信號(hào)；如何設(shè)計(jì)體積小的驅(qū)動(dòng)電路板；如何實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源直接由交流側(cè)供電、有保護(hù)電路等[2]，這些對(duì)MMC換流站的正常工作至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)整體電路框圖如圖1所示。

圖1  IGBT驅(qū)動(dòng)框圖

1 驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源模塊

1.1 驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)要求

    220 V的交流電經(jīng)過整流橋后，作為開關(guān)電源的輸入電壓，開關(guān)電源輸出2路+17 V、2路-5 V、1路+5 V電源，供給光耦合器驅(qū)動(dòng)電路模塊。為了節(jié)約電路板的空間，要求設(shè)計(jì)的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)，開關(guān)電源還要求可靠性高、有保護(hù)電路、適應(yīng)輸入電壓的變化等[3-5]。

1.2 電壓反饋電路

    開關(guān)電源輸入電壓升高時(shí)，單端反激式變壓器的副繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也相應(yīng)地升高。該電壓經(jīng)過D15、C58和C59組成的濾波穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)后，得到直流電壓。該電壓經(jīng)過R56和R62分壓后，R62上的采樣電壓輸入U(xiǎn)C3842的Pin2引腳，與Pin2腳內(nèi)的2.5 V基準(zhǔn)電壓相比較后，經(jīng)內(nèi)部誤差放大器放大，使Pin6輸出脈沖的占空比變小，MOSFET管每周期開通時(shí)間變短，變壓器輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。同樣，當(dāng)變壓器輸出電壓降低時(shí)，通過反饋電壓使Pin6輸出脈沖的占空比變大，變壓器輸出電壓上升，最終使變壓器輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值。

1.3 過載保護(hù)

    由于UC3842的電源引腳Pin7的輸入電壓范圍是10 V~16 V，為了防止輸入到Pin7的電壓大于16 V，對(duì)UC3842造成損壞，設(shè)計(jì)在C58的兩端并聯(lián)一個(gè)反向擊穿電壓為16 V的穩(wěn)壓管，以達(dá)到保護(hù)UC3842的目的。

1.4 開關(guān)頻率選擇

    考慮開關(guān)器件的溫升和設(shè)計(jì)電源的要求，UC3842的開關(guān)頻率選擇50 kHz左右。所以選擇震蕩電阻Rt為10 kΩ，震蕩電容Ct為3 600 pF，則UC3842的震蕩頻率為：

可見，震蕩頻率接近50 kHz，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1.5 開關(guān)管緩沖電路

    UC3842的Pin6輸出給MOSFET開關(guān)管的信號(hào)頻率很高，導(dǎo)致開關(guān)管在開通和關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖，很容易造成開關(guān)管的損壞并嚴(yán)重影響Pin3的電流采樣工作。為此，設(shè)計(jì)了R58、R59、R63、R64、C63緩沖吸收電路。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源硬件電路如圖2所示。

2 光耦合器驅(qū)動(dòng)模塊

2.1 驅(qū)動(dòng)電路

    驅(qū)動(dòng)電路主要由2片HCPL-316芯片和相關(guān)電路組成。驅(qū)動(dòng)電路所需要的電源+17 V、+5 V、-5 V由設(shè)計(jì)的開關(guān)電源提供。HCPL-316芯片的Pin1引腳接+5 V電源，由MCU控制板發(fā)來的驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM1、PWM2分別接兩個(gè)HCPL-316芯片的Pin2引腳，PWM1、PWM2是互補(bǔ)的信號(hào)，兩個(gè)HCPL-316芯片的Pin11引腳分別輸出VG1和VG2兩路驅(qū)動(dòng)IGBT的信號(hào)，使MMC換流站中一個(gè)子模塊能正常工作。

IGBT的開通電壓為+15 V~+20 V，為了加快IGBT導(dǎo)通速度而又不減少IGBT使用壽命，設(shè)計(jì)采用+17 V開通方案。IGBT的關(guān)斷電壓理論上為0 V，但是為了加快IGBT的關(guān)斷速度，增加IGBT關(guān)斷的可靠性[6]，設(shè)計(jì)采用-5 V電壓關(guān)斷，即VG1和VG2分別提供給IGBT柵極最大正幅值為+17 V、最大負(fù)幅值為-5 V的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2  驅(qū)動(dòng)電源硬件電路圖

圖3  光耦隔離電路

2.2 光耦隔離電路

    IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路作為IGBT與MCU控制單元的接口電路，由于IGBT的工作電位差很大，如果其與MCU控制電路直接耦合，則會(huì)產(chǎn)生干擾，影響設(shè)備的正常工作。所以，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入/輸出需要隔離。目前隔離的主要方式有變壓器隔離和光電耦合。但由于變壓器隔離存在占空比不足、體積較大、換流站空間限制等問題，所以本設(shè)計(jì)采用HCPL-316作為光耦隔離器件，每個(gè)HCPL-316內(nèi)部有2個(gè)光電隔離模塊，如圖3所示。其中，第1個(gè)光電隔離模塊將控制器輸入的PWM信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后輸送給IGBT模塊以驅(qū)動(dòng)IGBT工作；第2個(gè)光電隔離模塊將IGBT反饋的故障信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后輸送給MCU控制器模塊以進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。HCPL-316可以隔離高達(dá)1 500 V的直流電壓，滿足設(shè)計(jì)的需要。

2.3 過流檢測(cè)與保護(hù)電路

    IGBT正常工作時(shí)，其通態(tài)壓降Vce一般很小，只有2 V，此時(shí)HCPL-316上的DESAT引腳處于低電平。當(dāng)IGBT發(fā)生過流狀態(tài)時(shí)，集電極電流Ic會(huì)迅速增大，IGBT的通態(tài)壓降Vce也會(huì)隨著Ic的增大而迅速增大。當(dāng)電路檢測(cè)的Vce值超過參考電壓時(shí)，快速恢復(fù)二極管會(huì)迅速截止，HCPL-316上的DESAT引腳被鉗制在大約7 V的參考電壓上。此時(shí)HCPL-316會(huì)發(fā)送故障信號(hào)給MCU控制電路，控制電路會(huì)迅速封鎖PWM信號(hào)的輸出，進(jìn)而關(guān)斷IGBT，達(dá)到保護(hù)IGBT和換流站的目的。

    快速恢復(fù)二極管的參數(shù)計(jì)算：根據(jù)IGBT過流檢測(cè)與保護(hù)電路原理可知：

UDESAT=UCE+UD(2)

式中，UDESAT是HCPL-316上DESAT管腳的輸入電壓，等于7 V；UCE是IGBT通態(tài)時(shí)集電極與發(fā)射極之間的壓降，IGBT正常工作時(shí)，UCE=2 V；UD是快速恢復(fù)二極管正向?qū)ǖ膲航?。快速二極管的型號(hào)選擇SURS8160T3G，其反向擊穿電壓是600 V，正向?qū)妷簽?.25 V。由于UD=UDESAT-UCE，所以串聯(lián)的二極管數(shù)量n=(7-2)/1.25=4個(gè)。

2.4 柵極保護(hù)電路

    IGBT的柵極與發(fā)射極之間有一個(gè)金屬氧化層薄膜，柵極與發(fā)射極之間最大能承受的電壓VGE大約為20 V。在兩種情況下柵極上可能會(huì)出現(xiàn)過電壓：(1)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生偶然性故障，使加在IGBT柵極上的開通信號(hào)最大幅值可能會(huì)大于20 V；(2)IGBT在高速開通和關(guān)斷的過程中，柵極可能會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，這種電流可能會(huì)在柵極和射極回路的阻抗上產(chǎn)生壓降，柵極與射極之間可能會(huì)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。這兩種過壓情況都嚴(yán)重威脅IGBT的安全。解決方案是在柵極與射極之間串聯(lián)兩個(gè)18 V的穩(wěn)壓管，以確保IGBT的柵極與射極之間的正反向電壓低于20 V，保障了IGBT的安全，如圖4所示。

圖4  IGBT柵極保護(hù)電路

圖5  光耦合驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)的光耦合驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    對(duì)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源的輸出使用Tek示波器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中+17 V電源輸出測(cè)試波形如圖6（a）所示，測(cè)試顯示值為+16.9 V，誤差率只有0.5%，紋波率很小；+5 V電源的輸出測(cè)試波形如圖6（b）所示，測(cè)試顯示值為+4.92 V，誤差率只有1.6%。設(shè)計(jì)的開關(guān)電源能滿足后級(jí)IGBT驅(qū)動(dòng)電路所需電源的要求，開關(guān)電源部分達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6  驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)波形

    對(duì)設(shè)計(jì)的光耦驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。光耦電路的輸入是幅值為+5 V、頻率為10 kHz、占空比為50%的PWM信號(hào)，如圖7（a）所示。該信號(hào)經(jīng)過光耦驅(qū)動(dòng)電路后，輸入到IGBT的柵極，作為柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖7（b）所示，MCU控制器發(fā)出的PWM信號(hào)為+5 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出+17 V的驅(qū)動(dòng)電壓使IGBT開通；當(dāng)MCU控制器發(fā)出的PWM信號(hào)為0 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出-5 V的驅(qū)動(dòng)電壓使IGBT快速關(guān)斷。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路能滿足MMC換流站各子模塊的正常工作要求，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖7  驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)波形

    針對(duì)MMC換流站各子模塊中IGBT的工作特性，設(shè)計(jì)將驅(qū)動(dòng)電源和驅(qū)動(dòng)電路集合在一塊電路板上，有利于節(jié)約空間體積。本文給出了IGBT驅(qū)動(dòng)電源的具體設(shè)計(jì)，包括電壓反饋電路、過載保護(hù)、開關(guān)頻率、開關(guān)管緩沖電路設(shè)計(jì)；給出了光耦合器驅(qū)動(dòng)電路的具體設(shè)計(jì)，包括光耦隔離電路、過流檢測(cè)與保護(hù)電路、柵極保護(hù)電路等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，并已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室MMC換流站樣機(jī)的子模塊IGBT的控制。同時(shí)，本文提出的設(shè)計(jì)方案對(duì)于類似IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有很好的實(shí)用參考價(jià)值。

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(收稿日期：2014-05-30)  

作者簡(jiǎn)介：

顧先明，男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向：MMC換流站控制系統(tǒng)，電力電子。