有關大功率IGBT驅動過流保護電路設計和IGBT高壓大功率驅動應用及原理

IGBT和晶閘管的抗過載能力不強,但是IGBT飽和壓降低和工作頻率高的眾多優點依舊成為大功率開關電源等電力電子裝置的首選功率期間.所以,設計IGBT的驅動過流保護電路成為首要之選,讓它具備更完善的驅動過流保護功能是現有設計者必須考慮的題目.

1 驅動過流保護電路的驅動過流保護原則

IGBT的技術資料表明,IGBT在10μS內最大可承受2倍的額定電流,但是經常承受過電流會使器件過早老化,故IGBT的驅動過流保護電路的設計原則為:一、當過電流值小于2倍額定電流值時,可采用瞬時封,外墻涂了半層的乳膠漆,看得出是在舊房的基礎上改造.由于剛搬進來沒多久,我在小區進出的人流中顯得陌生.樓房之間鎖柵極電壓的方法來實現保護;二、當過電流值大于2倍額定電流值時,由于瞬時封,外墻涂了半層的乳膠漆,看得出是在舊房的基礎上改造.由于剛搬進來沒多久,我在小區進出的人流中顯得陌生.樓房之間鎖柵極電壓會使di/dt很大,會在主回路中感應出較高的尖峰電壓,故應采用軟關斷方法使柵極電壓在2μS-5μS的時間內降至零電壓,至終極為-5伏的反電壓;三、采用適當的柵極驅動電壓.基于上述思想,驅動過流保護電路現分為分離元件驅動過流保護電路和模塊驅動過流保護電路.

2 驅動過流保護電路的設計

2.1分離元件驅動過流保護電路

以多電源驅動過流保護電路為例,分離元件驅動過流保護電路如圖1.圖1中,T1、T4和T5構成IGBT的驅動電路,DZ1、T3、D2、C4構成延時降壓電路.T6、555集成電路和光耦LP2構成延時電路.在正常開通時,T1和T4導通,由于D1和R6的作用,B點電路不會超過DZ1擊穿電壓,此時T3截止,D點電位不會下降,延時電路不延時,T2截止.當IGBT流過短路電流時,IGBT的集射極壓降上升,此時C點電位上升,上升時間t1由式(1)求得.

式(1)中,VCC是電源電壓,單位為伏特;V1是DZ1擊穿電壓,單位為伏特;τ2=R2×C2,為時間常數,單位為秒;VC2為電容C2的初始電壓,單位為伏特.

當C點電位上升到DZ1的擊穿電壓時,T3導通,C4放電,D點電位下降,即F點和 ** 電位下降,IGBT的柵極驅動電壓下降.同時,光耦LP2導通,延時電路開始計時,此計時時間t2由式(2)求得.

式(2)中,VCC是電源電壓,單位為伏特;V2是555翻轉電平,單位為伏特;τ2=(R14+R15)×C5,為時間常數,單位為秒;VC5為電容C5的初始電壓,單位為伏特.

有關大功率IGBT驅動過流保護電路設計和IGBT高壓大功率驅動應用及原理，更多關于IGBT方案請咨詢上海工品實業。 假如過流故障在555計時時間t2內消除,則C點電位下降恢復到原來值,DZ1、T3立即截止,同時C4開始充電,F點和 ** 電位上升,IGBT的柵極電壓恢復到原來的正常值,IGBT繼續正常工作;假如在555計時時間t2內過流故障還沒有消除,則555輸出高電平,經T7、CD4043和CD4081驅動光耦LP1,使A點電位下降并保持,T1截止,T5導通,IGBT的柵射極電壓終極為-5伏,導致IGBT截止,從而實現延時緩降壓過流保護.其從發生過流故障到徹底關斷IGBT所需的總時間t為

t=t1+t2 (3)

式(3)中,t、t1和t2的單位都是秒.

還應留意:(1)選擇合適的柵極驅動電壓值;正電壓值一般在12V-15V為宜,12V最佳,反向電壓一般在5V-10V;

(2)選擇合適的柵極串聯電阻值,一般選幾歐姆到十幾歐姆;

(3)選擇合適的柵射極并聯電阻值或穩壓二極管.

從上述分析可知,分離元件驅動過流保護電路復雜,但設計靈活.

 

2.2模塊驅動過流保護電路

以EXB841系列為例,模塊驅動過流保護電路[9-10]如圖2.圖2中,9腳為參考地,2腳電位為20V,1腳電位為5V,當14腳、15腳之間加上高電平驅動信號時,EXB841中的互補輸出級中的上管導通,IGBT導通;反之,輸進為低電平時,IGBT關斷.EXB841內部過流保護電路通過檢測IGBT的集射極電壓Vce來判定IGBT是否過流,其判定公式為:

Vce+V1+VD≥V2 (4)

式(4)中,V1為1腳電位;VD為6腳所接二極管D導通壓降;V2為EXB841內部二極管擊穿電壓.如設V1=5V,VD=1V,V2=13V,即Vce=7V時,為過流保護電壓閥值,當Vce<7V時保護電路不工作,其保護功能為:當過流時降低柵射極驅動電壓,并與慢關斷技術相結合.在檢測到短路2μS后,開始降低柵極驅動電壓,10μS內降到OV.在這段時間內,若短路現象消除,柵極驅動電壓恢復到正常值;若故障仍存在,則5腳輸出故障信號,通過一定時間的延遲后,IGBT的柵射極電壓終極為-5伏,同時封,外墻涂了半層的乳膠漆,看得出是在舊房的基礎上改造.由于剛搬進來沒多久,我在小區進出的人流中顯得陌生.樓房之間鎖輸進信號,這樣避免立即停止輸進信號造成硬關斷,產生過電壓擊穿IGBT.其不足之處為:一、負柵壓過低,降低了IGBT的可靠性;二、沒有過流信號鎖定功能,一旦發生過流故障,并不能在當前工作周期內實現延時保護關斷.

3結束語

以上先容了幾種IGBT驅動過流保護電路.分離元件驅動過流保護電路復雜,但設計靈活、保護功面,模塊驅動過流保護電路使電路的設計簡化并具備了一定的保護功能,但這些保護功能是有限的,用時,還要考慮擴展其功能.至于實際應用中采用哪一種方法,應視實際情況而言.

IGBT高壓大功率驅動和保護電路的應用及原理

通過對功率器件IGBT的工作特性分析、驅動要求和保護方法等討論，介紹了的一種可驅動高壓大功率IGBT的集成驅動模塊HCPL-3I6J的應用

關鍵詞：IGBT；驅動保護電路；電源

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用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優點。

但是，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應用還依賴于電路條件和開關環境。因此，IGBT的驅動和保護電路是電路設計的難點和重點，是整個裝置運行的關鍵環節。

為解決IGBT的可靠驅動問題，國外各IGBT生產廠家或從事IGBT應用的企業開發出了眾多的IGBT驅動集成電路或模塊，如國內常用的日本富士公司生產的EXB8系列，三菱電機公司生產的M579系列，美國IR公司生產的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關斷和電源電壓欠壓保護功能，而惠普生產的HCLP一316J有過流保護、欠壓保護和1GBT軟關斷的功能，且價格相對便宜，因此，本文將對其進行研究，并給出1700V，200～300A IGBT的驅動和保護電路。

1 IGBT的工作特性
IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流與驅動功率非常小，可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓UGE來控制的，當UGE大于開啟電壓UGE(th)時IGBT導通，當柵極和發射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關斷。

IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區、飽和區和截止區，其主要作為開關器件應用。在驅動電路中主要研究IGBT的飽和導通和截止兩個狀態，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅動電路要求
在設計IGBT驅動時必須注意以下幾點。

1)柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時，．IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區而進入線性放大區域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅動電路應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通區而損壞。

2)IGBT快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關頻率不宜過大，因為高速開通和關斷時，會產生很高的尖峰電壓，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電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic／dt效果不明顯。

4)當IGBT關斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現象發生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯的穩壓二極管，其穩壓值應與正負柵壓相同。

3 HCPL-316J驅動電路
3.1 HCPL-316J內部結構及工作原理
HCPL-316J的內部結構如圖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)芯片復位輸入端；
腳6(FAULT) 故障輸出，當發生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時，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)輸出驅動信號以驅動IGBT；
腳12(VC)三級達林頓管集電極電源；
腳13(VCC2)驅動電壓源；
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即輸出正向驅動電壓正常，驅動信號輸出高電平，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點低電平，B點也為低電平，50×DMOS處于關斷狀態。此時JP1的輸入的4個狀態從上至下依次為低、高、低、低，A點高電平，驅動三級達林頓管導通，IGBT也隨之開通。

若IGBT出現過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅動信號繼續加在腳1，欠壓信號為低電平，B點輸出低電平，三級達林頓管被關斷，1×DMOS導通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現慢降柵壓。當VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平，C點變為低電平，B點為高電平，50×DMOS導通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦，再經過RS觸發器，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。

3．2驅動電路設計
驅動電路及參數如圖3所示。

??? HCPL-316J左邊的VIN+，FAULT和RESET分別與微機相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護作用，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護電路會產生約1μs延時，在開關頻率超過100kHz時不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時，Q3導通，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，當有干擾信號后，能讓微機正確接受信息。

在輸出端，R5和C7關系到IGBT開通的快慢和開關損耗，增加C7可以明顯地減小dic／dt。首先計算柵極電阻：其中ION為開通時注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通，設計，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。可

C3是一個非常重要的參數，最主要起充電延時作用。當系統啟動，芯片開始工作時，由于IGBT的集電極C端電壓還遠遠大于7V，若沒有C3，則會錯誤地發出短路故障信號，使輸出直接關斷。當芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復正常，若沒有C3，則也會發出錯誤的故障信號，使IGBT誤關斷。但是，C3的取值過大會使系統反應變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時時間內就被燒壞，起不到正確的保護作用， C3取值100pF，其延時時間

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，從而能夠提高驅動電壓等級，但二極管的反向恢復時間要很小，且每個反向耐壓等級要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復時間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現過流信號后具有的軟關斷特性，其原理是C5通過內部MOSFET的放電來實現軟關斷。圖3中輸出電壓VOUT經過兩個快速三極管推挽輸出，使驅動電流最大能達到20A，能夠快速驅動1700v、200-300A的IGBT。

3．3驅動電源設計
在驅動設計中，穩定的電源是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，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負載情況下電源輸出電壓仍然比較穩定。

當s開通時，+12v(為比較穩定的電源，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過整流輸出。當S關斷時，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，實現變壓器磁芯的復位。555定時器接成多諧振蕩器，通過對C1的充放電使腳2和腳6的電位在4～8v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的開通和關斷。+12v經過R1，D2給C1充電，其充電時間t1≈R1C2ln2；放電時間t2=R2C1ln2，充電時輸出高電平，放電時輸出低電平。所以占空比=t1／(t1+t2)。

變壓器按下述參數進行設計：原邊接+12v，頻率為60kHz，工作磁感應強度Bw為O．15T，副邊+15v輸出2A，-5v輸出1 A，效率n=80％，窗口填充系數Km為O．5，磁芯填充系數Kc為1，線圈導線電流密度d為3 A／mm2。則輸出功率
PT=(15+O．6)×2×2+(5+O．6)×1×2=64W。

變壓器磁芯參數

由于帶載后驅動電源輸出電壓會有所下降，所以，在實際應用中考慮提高頻率和占空比來穩定輸出電壓。

4 結語
本文設計了一個可驅動l700v，200～300A的IGBT的驅動電路。硬件上實現了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖，并設計了可以直接給兩個IGBT供電的驅動電源

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