IGBT驅(qū)動電路.doc

IGBT模塊驅(qū)動及保護(hù)技術(shù)1引言 IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有A級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但I(xiàn)GBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅(qū)動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)A的充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動電路也必須輸出一定的峰值電流。 IGBT作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好IGBT的驅(qū)動和保護(hù)特性是十分必要的。 2柵極特性 IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到2030V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來傳送驅(qū)動信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 由于IGBT的柵極發(fā)射極和柵極集電極間存在著分布電容Cge和Cgc，以及發(fā)射極驅(qū)動電路中存在有分布電感Le，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實(shí)際驅(qū)動波形與理想驅(qū)動波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負(fù)載電路（見圖1）得到驗(yàn)證。 (a)等 效 電 路 (b)開 通 波 形 圖1IGBT開關(guān)等效電路和開通波形 在t0時(shí)刻，柵極驅(qū)動電壓開始上升，此時(shí)影響柵極電壓uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，柵極電壓上升較快。在t1時(shí)刻達(dá)到IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時(shí)開始有2個原因?qū)е聈ge波形偏離原有的軌跡。 首先，發(fā)射極電路中的分布電感Le上的感應(yīng)電壓隨著集電極電流ic的增加而加大，從而削弱了柵極驅(qū)動電壓，并且降低了柵極發(fā)射極間的uge的上升率，減緩了集電極電流的增長。 其次，另一個影響柵極驅(qū)動電路電壓的因素是柵極集電極電容Cgc的密勒效應(yīng)。t2時(shí)刻，集電極電流達(dá)到最大值，進(jìn)而柵極集電極間電容Cgc開始放電，在驅(qū)動電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅(qū)動電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動電壓。顯然，柵極驅(qū)動電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到t3時(shí)刻，uce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t3時(shí)刻后，ic達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓uge的因素消失后，uge以較快的上升率達(dá)到最大值。 由圖1波形可看出，由于Le和Cgc的存在，在IGBT的實(shí)際運(yùn)行中uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動電壓上升的效應(yīng)，表現(xiàn)為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減緩此效應(yīng)，應(yīng)使IGBT模塊的Le和Cgc及柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。 IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖2所示。t0時(shí)刻柵極驅(qū)動電壓開始下降，在t1時(shí)刻達(dá)到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進(jìn)入線性工作區(qū)，uce開始上升，此時(shí)，柵極集電極間電容Cgc的密勒效應(yīng)支配著uce的上升，因Cgc耦合充電作用，uge在t1t2期間基本不變，在t2時(shí)刻uge和ic開始以柵極發(fā)射極間固有阻抗所決定的速度下降，在t3時(shí)，uge及ic均降為零，關(guān)斷結(jié)束。 由圖2可看出，由于電容Cgc的存在，使得IGBT的關(guān)斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇Cgc較小的IGBT器件；另一方面應(yīng)減小驅(qū)動電路的內(nèi)阻抗，使流入Cgc的充電電流增加，加快了uce的上升速度。 圖 2IGBT關(guān) 斷 時(shí) 的 波 形 在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的uge幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降：uge增加，飽和導(dǎo)通電壓將減小。由于飽和導(dǎo)通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常uge為1518V，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關(guān)斷時(shí)給其柵極發(fā)射極加一定的負(fù)偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取510V。 3柵極串聯(lián)電阻對柵極驅(qū)動波形的影響 柵極驅(qū)動電壓的上升、下降速率對IGBT開通關(guān)斷過程有著較大的影響。IGBT的MOS溝道受柵極電壓的直接控制，而MOSFET部分的漏極電流控制著雙極部分的柵極電流，使得IGBT的開通特性主要決定于它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極驅(qū)動波形的影響較大。IGBT的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受MOSFET的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動對IGBT的關(guān)斷也有影響。 在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些，以提高IGBT開關(guān)速率降低損耗。 在正常狀態(tài)下IGBT開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，則開通越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導(dǎo)致IGBT損害。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動電壓的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。 由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關(guān)斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率，減小關(guān)斷損耗，但過小會造成di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰。因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面綜合的考慮。 柵極電阻對驅(qū)動脈沖的波形也有影響。電阻值過小時(shí)會造成脈沖振蕩，過大時(shí)脈沖波形的前后沿會發(fā)生延遲和變緩。IGBT的柵極輸入電容Cge隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動脈沖前后沿速率，對于電流容量大的IGBT器件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng)隨著IGBT電流容量的增加而減小。 4IGBT的驅(qū)動電路 IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。 圖3為采用光耦合器等分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動電路。當(dāng)輸入控制信號時(shí)，光耦VLC導(dǎo)通，晶體管V2截止，V3導(dǎo)通輸出15V驅(qū)動電壓。當(dāng)輸入控制信號為零時(shí)，VLC截止，V2、V4導(dǎo)通，輸出10V電壓。15V和10V電源需靠近驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發(fā)射極的引線應(yīng)采用雙絞線，長度最好不超過0.5m。 圖 3由 分 立 元 器 件 構(gòu) 成 的 IGBT驅(qū) 動 電 路 圖4為由集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動器。TLP250內(nèi)置光耦的隔離電壓可達(dá)2500V，上升和下降時(shí)間均小于0.5s，輸出電流達(dá)0.5A，可直接驅(qū)動50A/1200V以內(nèi)的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅(qū)動電流容量更大的IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動器體積小，價(jià)格便宜，是不帶過流保護(hù)的IGBT驅(qū)動器中較理想的選擇。 圖4由 集 成 電 路TLP250構(gòu) 成 的 驅(qū) 動 器 5IGBT的過流保護(hù) IGBT的過流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載保護(hù)；一類是高倍數(shù)（可達(dá)810倍）的短路保護(hù)。 對于過載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護(hù)，一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。 IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5s，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15s，45V時(shí)可達(dá)30s以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。 通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過故障電流會在這個延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動了，器件仍然壞了。 降柵壓旨在檢測到器件過流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。 上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關(guān)系，而在實(shí)際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的di/dt。慢降柵壓技術(shù)就是通過限制降柵壓的速度來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值。圖5給出了實(shí)現(xiàn)慢降柵壓的具體電路。 圖5實(shí)現(xiàn)慢降柵壓的電路 正常工作時(shí)，因故障檢測二極管VD1的導(dǎo)通，將a點(diǎn)的電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管VZ1的擊穿電壓以下，晶體管VT1始終保持截止?fàn)顟B(tài)。V1通過驅(qū)動電阻Rg正常開通和關(guān)斷。電容C2為硬開關(guān)應(yīng)用場合提供一很小的延時(shí)，使得V1開通時(shí)uce有一定的時(shí)間從高電壓降到通態(tài)壓降，而不使保護(hù)電路動作。 當(dāng)電路發(fā)生過流和短路故障時(shí)，V1上的uce上升，a點(diǎn)電壓隨之上升，到一定值時(shí)，VZ1擊穿，VT1開通，b點(diǎn)電壓下降，電容C1通過電阻R1充電，電容電壓從零開始上升，當(dāng)電容電壓上升到約1.4V時(shí)，晶體管VT2開通，柵極電壓uge隨電容電壓的上升而下降，通過調(diào)節(jié)C1的數(shù)值，可控制電容的充電速度，進(jìn)而控制uge的下降速度；當(dāng)電容電壓上升到穩(wěn)壓二極管VZ2的擊穿電壓時(shí)，VZ2擊穿，uge被鉗位在一固定的數(shù)值上，慢降柵壓過程結(jié)束，同時(shí)驅(qū)動電路通過光耦輸出過流信號。如果在延時(shí)過程中，故障信號消失了，則a點(diǎn)電壓降低，VT1恢復(fù)截止，C1通過R2放電，d點(diǎn)電壓升高，VT2也恢復(fù)截止，uge上升，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。 6IGBT開關(guān)過程中的過電壓 關(guān)斷IGBT時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/s。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。 7IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路 為了使IGBT關(guān)斷過電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型。 充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。 (a)RC型 (b)RCD型 圖 6充 放 電 型 IGBT緩 沖 吸 收 電 路 RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產(chǎn)生壓降，還會造成過沖電壓。RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過沖電壓。 圖7是三種放電阻止型吸收電路。放電阻止型緩沖電路中吸收電容Cs的放電電壓為電源電壓，每次關(guān)斷前，Cs僅將上次關(guān)斷電壓的過沖部分能量回饋到電源，減小了吸收電路的功耗。因電容電壓在IGBT關(guān)斷時(shí)從電源電壓開始上升，它的過電壓吸收能力不如RCD型充放電型。 (a)LC型 (b)RLCD型 (c)RLCD型 圖7三 種 放 電 阻 止 型 吸 收 電 路 從吸收過電壓的能力來說，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。 對緩沖吸收電路的要求是： 1)盡量減小主電路的布線電感La； 2)吸收電容應(yīng)采用低感吸收電容，它的引線應(yīng)盡量短，最好直接接在IGBT的端子上； 3)吸收二極管應(yīng)選用快開通和快軟恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過電壓。 8結(jié)語 本文對IGBT的驅(qū)動和保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)事項(xiàng)： IGBT由于有集電極柵極寄生電容的密勒效應(yīng)影響，能引起意外的電壓尖峰損害，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除其負(fù)面影響。 柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程及驅(qū)動脈沖的波形都有很大影響。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。 應(yīng)采用慢降柵壓技術(shù)來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值，達(dá)到短路保護(hù)的目的。 在工作電流較大的情況下，為了減小關(guān)斷過電壓，應(yīng)盡量減小主電路的布線電感，吸收電容器應(yīng)采用低感型。IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護(hù)電路的應(yīng)用研究日期：2006-11-13來源：電源技術(shù)應(yīng)用 作者：潘江洪 蘇建徽 杜雪芳字體：大 中 小 摘 要：通過對功率器件IGBT的工作特性分析、驅(qū)動要求和保護(hù)方法等討論，介紹了的一種可驅(qū)動高壓大功率IGBT的集成驅(qū)動模塊HCPL-3I6J的應(yīng)用關(guān)鍵詞：IGBT；驅(qū)動保護(hù)電路；電源0 引言 IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。 但是，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 為解決IGBT的可靠驅(qū)動問題，國外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動集成電路或模塊，如國內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的EXB8系列，三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的M579系列，美國IR公司生產(chǎn)的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價(jià)格相對便宜，因此，本文將對其進(jìn)行研究，并給出1700V，200300A IGBT的驅(qū)動和保護(hù)電路。1 IGBT的工作特性 IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動電流與驅(qū)動功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來控制的，當(dāng)UGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時(shí)，IGBT被關(guān)斷。 IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。2 IGBT驅(qū)動電路要求 在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。 1)柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動電壓增大時(shí)，IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減?。坏粽蝌?qū)動電壓過大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12VUGE18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。 2)IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí)，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。 3)選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvcedt，但會增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dicdt，CG太大，開通時(shí)間延時(shí)，CG太小對抑制dicdt效果不明顯。 4)當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。3 HCPL-316J驅(qū)動電路3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。 從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅(qū)動的要求。 各引腳功能如下： 腳1(VIN+)正向信號輸入； 腳2(VIN-)反向信號輸入； 腳3(VCG1)接輸入電源； 腳4(GND)輸入端的地； 腳5(RESERT)芯片復(fù)位輸入端； 腳6(FAULT) 故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時(shí)，通過光耦輸出故障信號； 腳7(VLED1+)光耦測試引腳，懸掛； 腳8(VLED1-)接地； 腳9，腳10(VEE)給IGBT提供反向偏置電壓； 腳11(VOUT)輸出驅(qū)動信號以驅(qū)動IGBT； 腳12(VC)三級達(dá)林頓管集電極電源； 腳13(VCC2)驅(qū)動電壓源； 腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測； 腳15(VLED2+)光耦測試引腳，懸掛； 腳16(VE)輸出基準(zhǔn)地。 其工作原理如圖1所示。若VIN+正常輸入，腳14沒有過流信號，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動電壓正常，驅(qū)動信號輸出高電平，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動三級達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。 若IGBT出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅(qū)動信號繼續(xù)加在腳1，欠壓信號為低電平，B點(diǎn)輸出低電平，三級達(dá)林頓管被關(guān)斷，1DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時(shí)，即VOUT輸出低電平，C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，B點(diǎn)為高電平，50DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦，再經(jīng)過RS觸發(fā)器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況。32驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動電路及參數(shù)如圖3所示。 HCPL-316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機(jī)相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護(hù)作用，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護(hù)電路會產(chǎn)生約1s延時(shí)，在開關(guān)頻率超過100kHz時(shí)不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當(dāng)兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號Interlock，和Interlock2分別與另外一個316J Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對故障信號的放大和濾波，當(dāng)有干擾信號后，能讓微機(jī)正確接受信息。 在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開通的快慢和開關(guān)損耗，增加C7可以明顯地減小dicdt。首先計(jì)算柵極電阻：其中ION為開通時(shí)注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通，設(shè)計(jì)，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v?？傻?C3是一個非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時(shí)作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動，芯片開始工作時(shí)，由于IGBT的集電極C端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于7V，若沒有C3，則會錯誤地發(fā)出短路故障信號，使輸出直接關(guān)斷。當(dāng)芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復(fù)正常，若沒有C3，則也會發(fā)出錯誤的故障信號，使IGBT誤關(guān)斷。但是，C3的取值過大會使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時(shí)時(shí)間內(nèi)就被燒壞，起不到正確的保護(hù)作用， C3取值100pF，其延時(shí)時(shí)間 在集電極檢測電路用兩個二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅(qū)動電壓等級，但二極管的反向恢復(fù)時(shí)間要很小，且每個反向耐壓等級要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復(fù)時(shí)間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現(xiàn)過流信號后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是C5通過內(nèi)部MOSFET的放電來實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過兩個快速三極管推挽輸出，使驅(qū)動電流最大能達(dá)到20A，能夠快速驅(qū)動1700v、200-300A的IGBT。33驅(qū)動電源設(shè)計(jì) 在驅(qū)動設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定的電源是IGBT能否正常工作的保證。如圖4所示。電源采用正激變換，抗干擾能力較強(qiáng)，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負(fù)載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定。 當(dāng)s開通時(shí)，+12v(為比較穩(wěn)定的電源，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和S相連的繞組，通過能量耦合使副邊經(jīng)過整流輸出。當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源，實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位。555定時(shí)器接成多諧振蕩器，通過對C1的充放電使腳2和腳6的電位在48v之間變換，使腳3輸出電壓方波信號，并用方波信號來控制S的開通和關(guān)斷。+12v經(jīng)過R1，D2給C1充電，其充電時(shí)間t1R1C2ln2；放電時(shí)間t2=R2C1ln2，充電時(shí)輸出高電平，放電時(shí)輸出低電平。所以占空比=t1(t1+t2)。 變壓器按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：原邊接+12v，頻率為60kHz，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw為O15T，副邊+15v輸出2A，-5v輸出1 A，效率n=80，窗口填充系數(shù)Km為O5，磁芯填充系數(shù)Kc為1，線圈導(dǎo)線電流密度d為3 Amm2。則輸出功率PT=(15+O6)22+(5+O6)12=64W。變壓器磁芯參數(shù) 由于帶載后驅(qū)動電源輸出電壓會有所下降，所以，在實(shí)際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來穩(wěn)定輸出電壓。 4 結(jié)語 本文設(shè)計(jì)了一個可驅(qū)動l700v，200300A的IGBT的驅(qū)動電路。硬件上實(shí)現(xiàn)了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖，并設(shè)計(jì)了可以直接給兩個IGBT供電的驅(qū)動電源。 IGBT 的驅(qū)動與保護(hù)技術(shù) 1 IGBT 的驅(qū)動條件驅(qū)動條件與 IGBT 的特性密切相關(guān)。設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動電路時(shí)，應(yīng)特別注意開通特性、負(fù)載短路能力和 dUds dt 引起的誤觸發(fā)等問題。 正偏置電壓 Uge 增加，通態(tài)電壓下降，開通能耗 Eon 也下降，分別如圖 2 62a 和 b 所示。由圖中還可看出，若十 Uge 固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨漏極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫升高