IGBT驱动专用电源QA04的应用

引言
随着中国在新能源和传统能源设备的升级改造上的大量投资以及igbt本身具有的高输入阻抗、低导通压降、开关频率高、工作电流大等优点，igbt得到了广泛应用。然而市面上的igbt驱动器如mornsun的qc962、三菱的m57962l和惠普的h316j等本身并不自带电源，而如果采用常规电源产品来给igbt驱动供电时，往往会发现igbt驱动和igbt容易损坏，或者驱动信号紊乱而导致驱动系统的工作异常，究其原因就是igbt系统复杂的工作环境中存在的各种干扰信号，通过电源初次级线圈的寄生电容传递到初级端导致电源的工作异常，从而导致整个驱动系统的工作异常。要解决这类问题，我们需要选取一款igbt驱动专用电源，它必须具有如下条件：
1.提供标准的正反向驱动电压，保证有效开通和关断igbt；
2.具有很强的输入输出隔离能力亦即隔离电容非常小，能有效隔离各种干扰信号；
3.要能带大容性负载，保证有足够的输出功率或瞬间电流输出能力;
4.宽输入电压范围内电源不失效并具有输出短路保护等功能；
而qa04正是这样一款为igbt驱动系统设计的专用电源模块，目前已经在电动汽车驱动、通用变频器、不间断电源(ups)、电焊机、交流伺服驱动系统、电梯控制系统等igbt驱动系统

图1 qa04实物图

上得到了广泛应用。
qa04的介绍
qa04是专为需要两组隔离电源的igbt驱动器而设计的dc－dc模块电源，可以比常规电源产品带更大容性负载并且具有更小的隔离电容和更高的隔离电压(见图1)。其内部采用了两路独立输出后共接模式提供正负电压，可以更好的为igbt的开通与关断提供能量。同时具有输出短路保护及自恢复能力，且针对igbt应用需求在产品进入短路保护后产品不完全关闭保持对外接电容一定的充电能力不使驱动器失控从而有效保护igbt。比常规模块具有更宽的工作温度范围更加适合汽车工作环境的应用。
产品特点：
● 输入：9～15vdc
● 输出：+15v,-8v
● 效率80%
● 小体积模块化sip封装
● 宽工作温度范围: -40℃～+105℃
● 输出短路保护
● 高隔离电压3000vac
● 可空载使用
● 符合rohs指令

图2 qa04内部结构框图

qa04的原理及功能介绍
qa04主要由以下几部分组成：驱动电路、斩波电路、短路检测和控制电路、变压器、整流 滤波电路等。其结构框图如图2所示。
电路采用磁电隔离方案，采用金升阳特有的工艺技术使产品具有高达3000vac的隔离电压以及低达10pf的隔离电容，特有的短路检测和控制电路(专利技术)使产品具有输出短路保护功能，且使产品在较宽范围(9~15vdc)输入时仍然能够正常工作，保证后端igbt不至于因为igbt驱动器失控而烧坏。
对于igbt控制系统而言，关键之一是保证核心器件igbt不会损坏。因为igbt作为大功率电路的控制器件，不仅价格昂贵，一旦损坏还会导致大功率电路短路并容易引发其他危险。对于igbt驱动器而言，要保证igbt不损坏，不仅要有过流过压等保护功能，还要保证igbt在任何情况下都能被可靠控制。因为igbt一旦失控，往往意味着高内阻导通，这时流过的电流很容易损坏igbt。要保证驱动器能够可靠控制igbt，就必须保证驱动器在任何情况下不断电。即使在短路的情况下依然能够给驱动器较大的供电电流以保证在短路电阻上形成一定的压降，使得驱动器的低压保护电路能够正常工作。qa04正是基于这一理念设计的。qa04内置了短路检测和控制电路，可以保证在电源输出短路时限制电源的输入功率，但又能够提供较大的输出电流。这使得qa04不仅有很强的容性负载能力，还能够在输出短路时依然持续供电并形成一定的压降，使驱动器工作于低压保护状态，为igtb控制系统故障停机赢得时间。
其基本原理是：输入电源首先经过驱动电路和斩波电路从直流转变为交流通过变压器隔离传送到后端，再通过整流滤波电路将交流转化为直流，其中短路保护和控制电路会实时监测模块的工作状况，当产品产生短路时促使产品进入短路保护工作模式，保证产品不因短路而损坏，短路故障消除后产品又能自动恢复。输出端则采用两路独立输出后共接方式提供正负电压确保参考地电平电压的稳定。
qa04的典型应用

图3 电动汽车驱动系统整体结构简图

(1)电动汽车驱动系统上的应用
电动汽车驱动系统整体结构如图3所示，主要分为两部分：供电系统和驱动控制系统。
电源系统采用蓄电池供电，由于蓄电池输出的电压是不稳定的所以就需要后端有一个稳压电源(此方案采用广州金升阳生产的9-36v宽压输入电源urb2412ld-20w)，稳压电源为电动汽车的控制电路以及qa04供电，六块igbt驱动专用电源模块qa04为六个igbt驱动器提供电量并且实现隔离抗干扰功能。详细工作情况为：在控制器输出的控制信号(pwm)为高电平时，模块给igbt驱动器提供一路正的15v(typ)电压并通过igbt驱动内部的达林顿结构将电流放大后送到igbt的栅极，从而开通igbt；当pwm输入为低电平时，qa04给igbt驱动器提供一路-8v(typ)电压并通过igbt驱动器内部大达林顿结构将igbt栅极电压拉低至负压，从而有效关断igbt.在整个过程中通过qa04实现对igbt驱动系统干扰信号的隔离，保证系统稳定可靠的运行。
驱动控制系统通过逆变器实现从母线直流电压向交流电压的逆变并控制电机驱动电动汽车。控制电路则通过igbt驱动器驱动igbt和实时监测igbt的工作状态，一旦igbt出现短路故障，控制电路通过igbt驱动器关闭igbt从而防止igbt因为过流过热烧坏。控制电路同时完成对逆变器的输入端的母线电压的采样和逆变器输出相电流的采样，并将信息分享给电动汽车的pc终端分析处理，实现对电机转速的精准控制和实时显示。
(2)在线式不间断电源(ups)上的应用
qa04在不间断电源上的应用简图如图4所示。基本结构由整流电路、逆变器(qa04电源+igbt驱动qc962+igbt)、充电器、蓄电池、旁路开关(继电器或可控硅)五部分构成。
其基本工作原理是：产品在正常工作时，交流市电通过整流电路整流后从交流市电转换为直流电，并经dc/ac逆变器将直流电转换为所需要的高压交流电给负载供电。qa04在这个过程中为igbt驱动器(广州金升阳科技生产的qc962)提供开关igbt所需要的能量，并实现电源的隔离，提高系统的稳定性和可靠性。同时，交流市电通过充电器给蓄电池组充电。当主路出现故障时蓄电池组开始工作，系统将交流市电供电方式切换为蓄电池组供电方式供电；当故障排除后，系统将蓄电池组供电方式切换为交流市电供电方式，蓄电池组停止工作从而保证整个系统不间断的稳定工作。

图4 不间断电源(ups)的应用简图

小结
由于qa04比常规的电源模块具有更低的隔离电容更高的隔离电压，可有效隔离igbt驱动系统存在的干扰信号，并且根据 igbt驱动系统的工作特性采用了针对性的设计，具有能带大容性负载、宽范围输入产品不失效、正负两路电压输出、输出短路保护和自恢复等功能，比常规模块具有更优异的表现，再加之该产品的工作温度范围较宽从而在电动汽车驱动、通用变频器、不间断电源(ups)、电焊机、交流伺服驱动系统、电梯控制系统等igbt驱动系统上得到了广泛应用。

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