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IGBT驱动中的隔离技术方案探讨与比较

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 14:08

  1. 电容耦合器
  另一种实现输入和输出电路之间的电气隔离的方案是采用电容器作为耦合元件。根据应用要求,这些电容器必须具有适当的介电强度,并且需要具有较低的电容值。电容耦合器如图1所示。

图1 电容耦合器 
图1 电容耦合器
 
  由于IGBT开通和关断时会产生瞬态电压du/dt,所以这些耦合器需要一个低耦合电容。对于过高的耦合电容,根据式(1),产生的位移电流可能导致一些不好的后果,包括自锁,甚至破坏驱动核心和附加的电子器件。因此,与光或磁耦合器相比,电容耦合元件都处于劣势。因此,目前相关供应商还没有大批量提供这种IGBT驱动器。表1给出了一个电容耦合器示例。
图1 电容耦合器  (1)
  式中,1为位移电流(A);C为耦合电容(F);du/dt为在IGBT导通和关断时集电极和发射极之间的瞬变电压(V)。
表1 一个电容耦合器示例
一个电容耦合器示例

 
  2. 光纤
  在电力电子装置中,光纤系统常用于IGBT控制信号和状态以及故障信号的传输。相对于其他隔离技术而言,光纤比较明显的优势在于其无限制的隔离能力,以及远距离可以通过灵活的光缆(FOC)连接起来。进一步来说,信息传输完全不受EMC效应的影响,比如强静电场和电磁场。另外,可以避免IGBT开关过程中由于du/dt而产生的通信干扰。如同光耦合器一样,光纤技术的劣势同样在于传输延时的不一致性,这不是由传输原理导致的,而是由发送和接收技术引起的。同时,整个传输路径的花费(发送器、FOC、接收器)远远超出了其他传输系统。光纤技术的一个潜在问题在于发送器与接收器通过FOC连接的节点。由于污染和环境的影响,存在光路被干扰的危险。
  光纤发射器的基础是光发射激光二极管VCSVL或者发光二极管(LED),它决定了系统工作时所需要的波长。一般常用的波长为850nm、1300nm和1550nm。波长与光信号的衰减度是正相关的。因此,实际上光缆的长度是受限的,因为光缆的污染会引起光密度的丢失。在缆线的最后必须要有足够强大的光能量控制接收器。接收器是对光敏感的半导体,它能将入射光线转化成电能。光纤发射器和接收器原理如图2所示。
图2 光纤发射器和接收器原理 
图2 光纤发射器和接收器原理
 
  光纤本身是高纯度(但并不是100%无污染)的玻璃纤维或者塑料电缆。在光缆里面,发射光线在纤维内的边界区域里被反射。因此,光纤可以以一种非常灵活的方式摆放。然而,不能随意弯曲光纤。在拼接过程必须观测其最小的弯曲半径,光纤结构如图3所示。
图3 光纤结构 
图3 光纤结构
 
  如果在推荐温度范围之内,光纤在电力电厂系统中的应用前景可观。如今,光纤系统能够覆盖数百米、数据传输速率能够达到10G/s。然而,在电子电力系统中,数据传输速率不是关注的焦点、而传输延时公差是很重要的尺度。另外,系统的可靠性和寿命是至关重要的。图4表明了如今在工业和交通运输中光纤系统的标准设计。
图4 光纤系统的标准设计 
图4 光纤系统的标准设计
 
  通常、每路IGBT的传输通道需要两条光纤:一条用于传输控制信号,另外一条用于状态反馈(报销通道),表2给出了光纤接收器和发射器供应商。
表2  光纤接收器和发射器供应商
光纤接收器和发射器供应商

 
  3. 总结
  表3概述了基于不同设计理念的驱动器的优势和劣势。
表3  基于不同设计理念的驱动器的优势和劣势
基于不同设计理念的驱动器的优势和劣势



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