中高压系统高压隔离IGBT驱动设计

摘要

大功率电力电子器件IGBT自发明以来，其应用领域不断扩展，已成为工业应用领域、消费类电子应用领域的主流产品;尤其是在大功率应用领域，IGBT的驱动成为了研究的热点。高压大功率的应用中，要求IGBT驱动系统具有高的隔离电压等级;在各种特殊工况如水下、易燃、易爆情况下使用，要求驱动系统达到相当程度的电气绝缘;电力电子装置的复杂庞大，要求同时对多路IGBT提供快速准确的驱动。 本文针对大功率应用领域对高压隔离IGBT驱动进行了探索与研究。首先，对IGBT的工作原理进行了分析，包括物理模型、等效电路以及开关过程。然后对IGBT驱动的保护电路以及隔离供电电源进行了分析与研究。此外着重研究了多路输出高压隔离电源。高压隔离驱动电源以电流型母线为基础，用一根高压缆线为变压器原边，具有多路输出和高压隔离的特点，并且驱动的空间位置安排非常灵活。主要采用了LCL-S滤波网络的系统结构。LCL网络具有良好的滤波作用以及恒流特性，因此可以得到低谐波含量且恒定的母线电流。在此基础上，LCL-S可以实现输出电压负载无关性，所以可以给IGBT驱动稳定可靠供电。此外相较于单级LC谐振，其具有更好的容错能力和更大的谐振容量;在功率等级不变的条件下，通过合理的参数选择，可以使开关器件承受更小的电流、电压应力，降低损耗。通过制作样机进行实验，最终结果证明了方案的可行性。 为了获得更高的隔离电压，本文又提出了一种两级隔离的多路输出电源。并且给出了两种实现形式：LCL-LCCL-S结构以及LCL-SS结构两种拓扑。增加一级变压器可以显著提高隔离电压，但是结构相对比较复杂，对参数精度要求高。两种拓扑都可获得恒流母线，因此都可以实现输出电压负载无关性，满足驱动稳定供电的要求。最后通过仿真与实验证明了理论的正确性。

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