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。對于5電平MMC換流站，其每相有8個子模塊，3相共有24個子模塊，每個子模塊中有2個IGBT，共有48個IGBT，如果換流站擴容，增加電平數(shù)，則會有更多的IGBT投入工作。如何使MCU控制電路產(chǎn)生的PWM控制信號驅(qū)動IGBT的工作時，驅(qū)動電路能夠發(fā)送故障信號給MCU控制器并能響應(yīng)MCU控制器發(fā)來的復(fù)位信號；如何設(shè)計體積小的驅(qū)動電路板；如何實現(xiàn)驅(qū)動電源直接由交流側(cè)供電、有保護電路等[2]，這些對MMC換流站的正常工作至關(guān)重要。本文設(shè)計的IGBT驅(qū)動整體電路框圖如圖1所示。

圖1  IGBT驅(qū)動框圖

1 驅(qū)動開關(guān)電源模塊

1.1 驅(qū)動開關(guān)電源設(shè)計要求

    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)動電路模塊。為了節(jié)約電路板的空間，要求設(shè)計的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單。同時，開關(guān)電源還要求可靠性高、有保護電路、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，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UC3842的Pin2引腳，與Pin2腳內(nèi)的2.5 V基準電壓相比較后，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管每周期開通時間變短，變壓器輸出電壓下降，達到穩(wěn)壓的目的。同樣，當(dāng)變壓器輸出電壓降低時，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)計值。

1.3 過載保護

    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UC3842造成損壞，設(shè)計在C58的兩端并聯(lián)一個反向擊穿電壓為16 V的穩(wěn)壓管，以達到保護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，達到了設(shè)計要求。

1.5 開關(guān)管緩沖電路

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

2 光耦合器驅(qū)動模塊

2.1 驅(qū)動電路

    驅(qū)動電路主要由2片HCPL-316芯片和相關(guān)電路組成。驅(qū)動電路所需要的電源+17 V、+5 V、-5 V由設(shè)計的開關(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)動信號PWM1、PWM2分別接兩個HCPL-316芯片的Pin2引腳，PWM1、PWM2是互補的信號，兩個HCPL-316芯片的Pin11引腳分別輸出VG1和VG2兩路驅(qū)動IGBT的信號，使MMC換流站中一個子模塊能正常工作。

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、最大負幅值為-5 V的PWM驅(qū)動信號。

圖2  驅(qū)動電源硬件電路圖

圖3  光耦隔離電路

2.2 光耦隔離電路

    IGBT驅(qū)動保護電路作為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，則會產(chǎn)生干擾，影響設(shè)備的正常工作。所以，設(shè)計的驅(qū)動電路中驅(qū)動信號輸入/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)計采用HCPL-316作為光耦隔離器件，每個HCPL-316內(nèi)部有2個光電隔離模塊，如圖3所示。其中，第1個光電隔離模塊將控制器輸入的PWM信號經(jīng)過光耦隔離后輸送給IGBT模塊以驅(qū)動IGBT工作；第2個光電隔離模塊將IGBT反饋的故障信號經(jīng)過光耦隔離后輸送給MCU控制器模塊以進行相應(yīng)的響應(yīng)。HCPL-316可以隔離高達1 500 V的直流電壓，滿足設(shè)計的需要。

2.3 過流檢測與保護電路

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

    快速恢復(fù)二極管的參數(shù)計算：根據(jù)IGBT過流檢測與保護電路原理可知：

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)時集電極與發(fā)射極之間的壓降，IGBT正常工作時，UCE=2 V；UD是快速恢復(fù)二極管正向?qū)ǖ膲航??？焖俣O管的型號選擇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。

2.4 柵極保護電路

    IGBT的柵極與發(fā)射極之間有一個金屬氧化層薄膜，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出現(xiàn)過電壓：(1)驅(qū)動電路發(fā)生偶然性故障，使加在IGBT柵極上的開通信號最大幅值可能會大于20 V；(2)IGBT在高速開通和關(guān)斷的過程中，柵極可能會出現(xiàn)感應(yīng)電流，這種電流可能會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出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。這兩種過壓情況都嚴重威脅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柵極保護電路

圖5  光耦合驅(qū)動電路

設(shè)計的光耦合驅(qū)動電路如圖5所示。

3 實驗驗證

    對所設(shè)計的驅(qū)動開關(guān)電源的輸出使用Tek示波器進行實驗驗證。其中+17 V電源輸出測試波形如圖6（a）所示，測試顯示值為+16.9 V，誤差率只有0.5%，紋波率很??；+5 V電源的輸出測試波形如圖6（b）所示，測試顯示值為+4.92 V，誤差率只有1.6%。設(shè)計的開關(guān)電源能滿足后級IGBT驅(qū)動電路所需電源的要求，開關(guān)電源部分達到設(shè)計要求。

圖6  驅(qū)動電源實驗波形

    對設(shè)計的光耦驅(qū)動電路進行實驗驗證。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，如圖7（a）所示。該信號經(jīng)過光耦驅(qū)動電路后，輸入到IGBT的柵極，作為柵極驅(qū)動信號。如圖7（b）所示，MCU控制器發(fā)出的PWM信號為+5 V時，驅(qū)動電路輸出+17 V的驅(qū)動電壓使IGBT開通；當(dāng)MCU控制器發(fā)出的PWM信號為0 V時，驅(qū)動電路輸出-5 V的驅(qū)動電壓使IGBT快速關(guān)斷。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的IGBT驅(qū)動電路能滿足MMC換流站各子模塊的正常工作要求，達到設(shè)計預(yù)期。

圖7  驅(qū)動電路實驗波形

    針對MMC換流站各子模塊中IGBT的工作特性，設(shè)計將驅(qū)動電源和驅(qū)動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)動電源的具體設(shè)計，包括電壓反饋電路、過載保護、開關(guān)頻率、開關(guān)管緩沖電路設(shè)計；給出了光耦合器驅(qū)動電路的具體設(shè)計，包括光耦隔離電路、過流檢測與保護電路、柵極保護電路等。實驗驗證了設(shè)計的正確性，并已成功應(yīng)用于實驗室MMC換流站樣機的子模塊IGBT的控制。同時，本文提出的設(shè)計方案對于類似IGBT的驅(qū)動設(shè)計有很好的實用參考價值。

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(收稿日期：2014-05-30)  

作者簡介：

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。