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正弦波大功率IGBT模块控制2000A驱动板
阅读: 2635 |  回复: 13 楼层直达

2020/08/31 07:23:49
1
mulunliang
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LV6
团长

 正弦波大功率IGBT模块控制2000A驱动板

读了寿老师的正弦波IGBT模块贴子,心痒痒的,赶快学习大功率IGBT驱动; 功夫不负有心人,有幸见识到2000A大功率IGBT驱动,再把我十几年前一直使用的正弦波程序,打磨了一翻,主芯片为大家熟悉的PIC16F716,终于出来了这款正弦波大功率IGBT模块控制2000A驱动板。欢迎大家实验见证, 谢谢!同时也感谢寿老师的好贴子,给了我很大启发;大功率IGBT二手市场货源好便宜,二次利用经济实惠,很轻易实现10KW以上的大功率正弦波输出。

   正弦波大功率IGBT模块控制驱动板,实际上是逆变器的后级DC转AC部分,把前级的高压直流转变成交流220V输出的装置。

   现在市场上,拆机大功率的IGBT太多了,功率大价格便宜,我想利用这些好的资源,制作一款大功率正弦波逆变器,要想利用好这些大功率IGBT做逆变器,正弦波控制板要注意两点,工作时的死区时间和工作时的开关频率,这两点很致命。本控制板死区时间250ns为基准档位,一直到10us任意可控制,可以适应于不同大小的IGBT模块使用,本板控制为2.0us,再就是载波频率SPWM为16.000KHz,控制板带50Hz/60Hz切换,带开关机控制,带LCD12864直接显示等,板子尺寸:15*6.5cm

   先上原理图:

    本控制板的稳压方式,采用的是正弦峰值稳压,电压瞬时值反馈和有效值反馈结构的,双闭环控制方式。外环电压有效值反馈,使系统稳态时尽可能实现输出无静差,内环采用瞬时值反馈,保证系统获得优良的动态性能,二者各司其职,共同协作。

    本人为何选择正弦峰值稳压,是因为暂态闭环响应速度快,对母线电压的变化和输出负载的变化,瞬态响应均快,控制环线路简单,控制环易于控制。另外瞬时峰值的电压,是内在固有的逐个峰值波一一对应控制。

     普通的取样稳压就不一样了,取样信号需要整流和电容滤波,需要平滑的直流输入,在整流滤波过程中会有一个很长的时间差,这样就大大延迟了应该稳压的时间点,就会造成输出电压的忽高忽低,稳压总是有延后的现象,稳压不真实。所以正弦波峰值稳压方式,是对每个一一对应的峰值波形,逐个控制,真实,响应速度快,控制非常精准;如果除开输出线路中的压降,可以真正做到输出电压纹丝不动。

   正弦波大功率IGBT模块控制驱动板,驱动是参照了650KW的SPWM大功率驱动,一模一样照搬,本人有幸碰到,大家请看图

   这IGBT驱动功率够大,每一路采用4只450A的IGBT并联使用,驱动能力已达到2000A以上。

 316J驱动说明:

 IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体,具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。

但是,IGBT和其它电力电子器件一样,其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此,IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点,是整个装置运行的关键环节。

为解决IGBT的可靠驱动问题,国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块,如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列,三菱电机公司生产的M579系列,美国IR公司生产的IR21系列等。但是,EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能,而惠普生产的HCLP316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能,且价格相对便宜,因此,本文将对其进行研究,并给出1700V200300AIGBT的驱动和保护电路。

1IGBT的工作特性

   IGBT是一种电压型控制器件,它所需要的驱动电流与驱动功率非常小,可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的,当UGE大于开启电压UGEth)时IGBT导通,当栅极和发射极间施加反向或不加信号时,IGBT被关断。

IGBT与普通晶体三极管一样,可工作在线性放大区、饱和区和截止区,其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态,使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

2IGBT驱动电路要求

在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。

1)栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响,必须正确选择。当正向驱动电压增大时,.IGBT的导通电阻下降,使开通损耗减小;但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流ICUGE增大而增大,可能使IGBT出现擎住效应,导致门控失效,从而造成IGBT的损坏;若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域,使IGBT过热损坏;使用中选12V≤UGE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般负偏置电压选一5V为宜。另外,IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。

2IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大,因为高速开通和关断时,会产生很高的尖峰电压,极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。

3)选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CGIGBT的驱动相当重要。RG较小,栅射极之间的充放电时间常数比较小,会使开通瞬间电流较大,从而损坏IGBTRG较大,有利于抑制dvcedt,但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dicdtCG太大,开通时间延时,CG太小对抑制dicdt效果不明显。

4)当IGBT关断时,栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰,使栅射电压引起器件误导通,为防止这种现象发生,可以在栅射间并接一个电阻。此外,在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管,其稳压值应与正负栅压相同。

各引脚功能如下:

1VIN+)正向信号输入;

2VIN-)反向信号输入;

3VCG1)接输入电源;

4GND)输入端的地;

5RESERT)芯片复位输入端;

6FAULT)故障输出,当发生故障(输出正向电压欠压或IGBT短路)时,通过光耦输出故障信号;

7VLED1+)光耦测试引脚,悬挂;

8VLED1-)接地;

9,脚10VEE)给IGBT提供反向偏置电压;

11VOUT)输出驱动信号以驱动IGBT

12VC)三级达林顿管集电极电源;

13VCC2)驱动电压源;

14DESATIGBT短路电流检测;

15VLED2+)光耦测试引脚,悬挂;

16VE)输出基准地。

  HCPL-316是一款简单易用的智能型IGBT驱动光耦,集成了VCE饱和压降检测,欠压锁定,软关断以及隔离故障反馈输出。

   对于316J的说明资料,网络上很多,大家多多了解

   言归正传,上传本控制板接线说明

   部分说明:

   1. 50/60Hz切换,此功能是后面添加的,U5的3脚接5V是60Hz输出,此脚悬空为50Hz

   2. 开机/关机,CN2的6脚悬空为开机,接地为关机,次功能为UPS市电/逆变切换所用

   3. 功率调节,是调节输出功率的最大值,最大值时,正弦波的顶部与底部会出现直线,说明已经在限制输出功率了

CN1:供电与控制

    1. VFB为输出电压反馈信号,稳定输出电压的作用

    2. GND供电负极

    3. IFB输出电流反馈信号,控制总电流大小

    4. SD保护输出,控制前级升压开关,正常工作0V,保护5V输出

    5. 供电,15至30V单电源供电

CN2:烧写与显示

     用于程序烧录,另外可以直接接上LCD128*64显示屏,直接显示参数

    1. 时钟线

    2. 数据线

    3. GND供电负极

    4. +5V输出,为显示屏和烧写器提供5V电源

    5. vpp

    6. 开关,悬空控制板为开,接地控制板为关

配套输出电路图

模块外形

IGBT接线图

实物焊接

显示屏的接线图

    首先焊接了两块板,焊好准备接线调试了!

显示屏点亮了

15V输入测试电流0.31A

24V输入测试电流0.20A

30V输入测试电流0.15A

接下来测试功率管的G.S波形,从左到右依次如下图

现在测试SPWM的死区波形

死区时间2us,与我们设计的一样

下一步接上输出供电和输出LC滤波网络测试

   线路已接好

母线供电与驱动电源一样24V试机

  哈哈正弦波出来了!

  下面就开始准备360V直流电源,输入看看带载和输出波形如何。

  今天终于又焊接好了一块板,接上母线高压360V看图片

看看频率,50Hz很准的,再调调输出功率控制,也是可以控制的,接下来研究恒功率启动程序了

开机视频1:https://v.youku.com/v_show/id_XNDg1NTQwNDE4NA==.html?x=&sharefrom=android&sharekey=1d288795f2bc29b43c110be09dd95fa98

开机视频2:https://v.youku.com/v_show/id_XNDg1NTQwNjc1Mg==.html?x=&sharefrom=android&sharekey=66d7185df00c53efe7fd0112e483ed994

     第一版的20张PCB已发行完毕了,第二版又开始了,做了改动,就是把反馈调压的几颗元件设计到控制板上了,

板子尺寸大小还是一样不变:15*6.5cm

     月底此样板可以到位,再焊接起来继续大功率带载

     与此同时,大功率同步升压IGBT模块2000A驱动板https://www.dianyuan.com/bbs/2488282.html  也启动了,就是高频正弦波前级升压,

    电路拓扑结构:BOOST升压电路原理,我们知道大部分光伏逆变器的前级电路,DC-DC电压转换都是采用boost升压结构的形式,其主要由升压电感,二极管和电容组成。

     大功率同步升压IGBT模块2000A驱动板原理图

大功率同步升压IGBT模块2000A驱动板电路板图

   欢迎一起来互相学习

    接下来我们讨论一下取样电阻(分流器)

      如上图中的分流器(75mV),这颗电阻其实就是感应的母线电流,由于本控制板做出的是大功率输出,就不可能用单股多股康铜丝来做了,而是使用分流器或者大功率霍尔互感器了,分流器经济实惠,所以本人选择了分流器使用,不一样的功率,选择不一样电流的分流器。

     分流器的选取方法=输出功率/母线电压,比如10KW输出功率,母线电压为380V,母线电流就是10000W/380V=26.3A,这时候大家可以买30A的分流器接上即可,其实市面上的分流器过载能力是很强的,不用考虑会烧断。

      控制板上的功率调节,顺时针为输出功率大,反时针为输出功率小,在反时针调节中,如输出波形在发生变化,上下会出现平顶,此时既是输出功率在控制了,如果程序支持欠压输出保护的话,3秒就能关闭正弦波输出。

     逆变器在工作的时候为(恒电压工作模式),逆变器的输出保护; 本来嘛,本控制板已经有IGBT短路过流保护(HCPL-316直接检测,集成了VCE饱和压降检测,欠压锁定,软关断以及隔离故障反馈输出)功能,再加上主电流冲击过流保护;不过主电流过流保护是控制输出的一开一关,这样输出波形会由正弦波慢慢顶部和底部压缩变为方波(与EG8010过流控制一样)。

    在过流时不改变正弦波波形形状,改变正弦波的上下幅度(恒电流工作模式),正弦波变为方波,感性(电机,空调)类电气在启动冲击时电流特别大,易炸管;如果此时改用正弦波工作,电流就会很小,同时输出电压也不能低于180V(太低电器不支持低压工作)。意思是冲击工作电压范围180-220V,简称:(恒流工作模式)降压启动。

    新版来了

部分功能说明:

   1. 50/60Hz切换: 通电默认为50Hz,R1焊接5.1K电阻,为60Hz;

   2. 开机/关机转换:通电默认为开机,U5的10脚接地为关机,此功能为UPS市电/逆变切换所用,启动为快起模式;

   3. VR1功率设定:是调节输出功率的最大值,最大值时,正弦波的顶部与底部会出现直线,说明已经在限制输出功率了;

   4. VR输出电压设定:是调节输出交流电压,用万用表测试输出电压,设定为230V即可;

CN1: 直流供电输入

    1. VCC供电,+13V至30V单电源供电;

    2. GND供电负极

CN2: 控制

    1. VFB为输出电压反馈信号,稳定输出电压的作用

    2. GND供电负极

    3. IFB输出电流反馈信号,控制总电流大小

    4. GND供电负极

    5. SD保护输出,控制前级升压开关,正常工作0V,保护5V输出

CN3: 烧写与显示

     用于程序烧录,另外可以直接接上LCD128*64显示屏,直接显示参数

    1. CLK时钟线

    2.DAT 数据线

    3. GND供电负极

    4. +5V输出,给显示屏和烧写器提供+5V电源

    5. vpp烧写程序用

 注意:控制板的负极与高压母线的负极一定要可靠相连接,再就是电压反馈一定要接200K电阻后才可以接入控制板取样

      不同之处在于输出电压调节已设计到控制板上了,方便大家接线

      输出线路图

控制板原理图

/upload/community/2020/12/06/1607223568-66633.rar

2020/08/31 11:58:25
2
酷爱电子
电源币:0 | 积分:3 主题帖:0 | 回复帖:14
LV2
班长
2021/01/14 17:37:48
14
半导吞金兽
电源币:0 | 积分:1 主题帖:3 | 回复帖:17
LV2
班长

支持原创,学习学习。

2020/09/02 09:54:22
3
liaodeqing18
电源币:34 | 积分:0 主题帖:11 | 回复帖:95
LV4
连长
期待成品出炉。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
2020/09/03 11:18:12
4
mulunliang
电源币:64 | 积分:1 主题帖:11 | 回复帖:29
LV6
团长
   拿到样板的朋友,欢迎一起讨论,看看程序还需要怎么改进!由于本人现在的条件有限,设施难到10KW---500KW大功率负载,欢迎多多来电源论坛里发图片与视频,看看大家的大功率带载样机,谢谢大家。
2020/09/07 14:01:09
5
桔子红了
电源币:9 | 积分:4 主题帖:2 | 回复帖:42
LV4
连长
谢谢这么详细的资料,特别是IGBT这块的讲解学到了一点知识
2020/09/07 17:56:41
6
zhiyiyunmeng
电源币:0 | 积分:0 主题帖:8 | 回复帖:303
LV6
团长

驱动是光耦隔离加4142三极管图腾吗?

SPWM驱动波形VGE上升下降时间分别多少呢

VCE的上升下降分别多少呢

看看开关损耗大不大。实测效率能图片98%以上吗?

2020/09/11 14:54:54
7
chenyifeng61413
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:2
LV1
士兵
好贴,这么大功率,其待楼主做出好产品。
2020/09/13 10:41:12
9
mulunliang
电源币:64 | 积分:1 主题帖:11 | 回复帖:29
LV6
团长
其实上管的Vce下降时间加上,下管的Vce的上升时间,既是这个上下管半桥的死区时间
2020/09/12 20:10:06
8
liwei20080512
电源币:47 | 积分:0 主题帖:9 | 回复帖:139
LV6
团长
成品怎么卖,搞一块玩玩
2020/09/28 20:39:41
10
zhongqingdianzi
电源币:53 | 积分:5 主题帖:14 | 回复帖:112
LV5
营长
大师不是做过并网逆变器吗?恒功率程序怎么可能难到你?看了你的优酷视频觉得你的软启动时间太长了吧!
2020/09/29 08:00:36
11
mulunliang
电源币:64 | 积分:1 主题帖:11 | 回复帖:29
LV6
团长
是的,国庆节在家里改程序
2020/10/03 09:55:28
12
liwei20080512
电源币:47 | 积分:0 主题帖:9 | 回复帖:139
LV6
团长
很久不玩逆变了,不想自己动手搞,买别人的来玩不香吗?
2020/11/25 08:16:25
13
mulunliang
电源币:64 | 积分:1 主题帖:11 | 回复帖:29
LV6
团长

这位朋友就说得不对了,技术永无止境,玩得香与不香,首先得跟到一个台阶,再自己进行提升,比如,逆变器都一点都不懂,何来做出最优秀的与众不同?

本篇文章的重点,不是逆变器,你的理解错了,重点在于大功率,大功率IGBT模块,大功率驱动电路,学习成功案例的拓扑,希望你也来几篇,大家互相学习!

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