有關(guān)大功率IGBT驅(qū)動過流保護(hù)電路設(shè)計和IGBT高壓大功率驅(qū)動應(yīng)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(yōu)點依舊成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率期間.所以,設(shè)計IGBT的驅(qū)動過流保護(hù)電路成為首要之選,讓它具備更完善的驅(qū)動過流保護(hù)功能是現(xiàn)有設(shè)計者必須考慮的題目.

1 驅(qū)動過流保護(hù)電路的驅(qū)動過流保護(hù)原則

IGBT的技術(shù)資料表明,IGBT在10μS內(nèi)最大可承受2倍的額定電流,但是經(jīng)常承受過電流會使器件過早老化,故IGBT的驅(qū)動過流保護(hù)電路的設(shè)計原則為:一、當(dāng)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(chǔ)上改造.由于剛搬進(jìn)來沒多久,我在小區(qū)進(jìn)出的人流中顯得陌生.樓房之間鎖柵極電壓的方法來實現(xiàn)保護(hù);二、當(dāng)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(chǔ)上改造.由于剛搬進(jìn)來沒多久,我在小區(qū)進(jìn)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(yīng)出較高的尖峰電壓,故應(yīng)采用軟關(guān)斷方法使柵極電壓在2μS-5μS的時間內(nèi)降至零電壓,至終極為-5伏的反電壓;三、采用適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動電壓.基于上述思想,驅(qū)動過流保護(hù)電路現(xiàn)分為分離元件驅(qū)動過流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動過流保護(hù)電路.

2 驅(qū)動過流保護(hù)電路的設(shè)計

2.1分離元件驅(qū)動過流保護(hù)電路

以多電源驅(qū)動過流保護(hù)電路為例,分離元件驅(qū)動過流保護(hù)電路如圖1.圖1中,T1、T4和T5構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路,DZ1、T3、D2、C4構(gòu)成延時降壓電路.T6、555集成電路和光耦LP2構(gòu)成延時電路.在正常開通時,T1和T4導(dǎo)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(dāng)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(shù),單位為秒;VC2為電容C2的初始電壓,單位為伏特.

當(dāng)C點電位上升到DZ1的擊穿電壓時,T3導(dǎo)通,C4放電,D點電位下降,即F點和 ** 電位下降,IGBT的柵極驅(qū)動電壓下降.同時,光耦LP2導(dǎo)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(zhuǎn)電平,單位為伏特;τ2=(R14+R15)×C5,為時間常數(shù),單位為秒;VC5為電容C5的初始電壓,單位為伏特.

有關(guān)大功率IGBT驅(qū)動過流保護(hù)電路設(shè)計和IGBT高壓大功率驅(qū)動應(yīng)用及原理，更多關(guān)于IGBT方案請咨詢上海工品實業(yè)。 假如過流故障在555計時時間t2內(nèi)消除,則C點電位下降恢復(fù)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(fù)到原來的正常值,IGBT繼續(xù)正常工作;假如在555計時時間t2內(nèi)過流故障還沒有消除,則555輸出高電平,經(jīng)T7、CD4043和CD4081驅(qū)動光耦LP1,使A點電位下降并保持,T1截止,T5導(dǎo)通,IGBT的柵射極電壓終極為-5伏,導(dǎo)致IGBT截止,從而實現(xiàn)延時緩降壓過流保護(hù).其從發(fā)生過流故障到徹底關(guān)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(yīng)留意:(1)選擇合適的柵極驅(qū)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(lián)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(lián)電阻值或穩(wěn)壓二極管.

從上述分析可知,分離元件驅(qū)動過流保護(hù)電路復(fù)雜,但設(shè)計靈活.

 

2.2模塊驅(qū)動過流保護(hù)電路

以EXB841系列為例,模塊驅(qū)動過流保護(hù)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(dāng)14腳、15腳之間加上高電平驅(qū)動信號時,EXB841中的互補輸出級中的上管導(dǎo)通,IGBT導(dǎo)通;反之,輸進(jìn)為低電平時,IGBT關(guān)斷.EXB841內(nèi)部過流保護(hù)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(dǎo)通壓降;V2為EXB841內(nèi)部二極管擊穿電壓.如設(shè)V1=5V,VD=1V,V2=13V,即Vce=7V時,為過流保護(hù)電壓閥值,當(dāng)Vce<7V時保護(hù)電路不工作,其保護(hù)功能為:當(dāng)過流時降低柵射極驅(qū)動電壓,并與慢關(guān)斷技術(shù)相結(jié)合.在檢測到短路2μS后,開始降低柵極驅(qū)動電壓,10μS內(nèi)降到OV.在這段時間內(nèi),若短路現(xiàn)象消除,柵極驅(qū)動電壓恢復(fù)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(chǔ)上改造.由于剛搬進(jìn)來沒多久,我在小區(qū)進(jìn)出的人流中顯得陌生.樓房之間鎖輸進(jìn)信號,這樣避免立即停止輸進(jìn)信號造成硬關(guān)斷,產(chǎn)生過電壓擊穿IGBT.其不足之處為:一、負(fù)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(fā)生過流故障,并不能在當(dāng)前工作周期內(nèi)實現(xiàn)延時保護(hù)關(guān)斷.

3結(jié)束語

以上先容了幾種IGBT驅(qū)動過流保護(hù)電路.分離元件驅(qū)動過流保護(hù)電路復(fù)雜,但設(shè)計靈活、保護(hù)功面,模塊驅(qū)動過流保護(hù)電路使電路的設(shè)計簡化并具備了一定的保護(hù)功能,但這些保護(hù)功能是有限的,用時,還要考慮擴(kuò)展其功能.至于實際應(yīng)用中采用哪一種方法,應(yīng)視實際情況而言.

IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護(hù)電路的應(yīng)用及原理

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

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。

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)計的難點和重點，是整個裝置運行的關(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，且價格相對便宜，因此，本文將對其進(jìn)行研究，并給出1700V，200～300A 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IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，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IGBT驅(qū)動時必須注意以下幾點。

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，．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12V≤UGE≤18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使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，因為高速開通和關(guān)斷時，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dvce／dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)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(dāng)IGBT關(guān)斷時，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，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點低電平，B點也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時JP1的輸入的4個狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點高電平，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點輸出低電平，三級達(dá)林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平，C點變?yōu)榈碗娖?，B點為高電平，50×DMOS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。

3．2驅(qū)動電路設(shè)計
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1μs延時，在開關(guān)頻率超過100kHz時不適合使用。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，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(shè)計，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v?？?/p>

C3是一個非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動，芯片開始工作時，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在延時時間內(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(qū)動電壓等級，但二極管的反向恢復(fù)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(fù)時間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。

3．3驅(qū)動電源設(shè)計
在驅(qū)動設(shè)計中，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，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，+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，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(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)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(guān)斷。+12v經(jīng)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(shù)進(jìn)行設(shè)計：原邊接+12v，頻率為60kHz，工作磁感應(yīng)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(shù)Km為O．5，磁芯填充系數(shù)Kc為1，線圈導(dǎo)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(shù)

由于帶載后驅(qū)動電源輸出電壓會有所下降，所以，在實際應(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)計了一個可驅(qū)動l700v，200～300A的IGBT的驅(qū)動電路。硬件上實現(xiàn)了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖，并設(shè)計了可以直接給兩個IGBT供電的驅(qū)動電源

有關(guān)大功率IGBT驅(qū)動過流保護(hù)電路設(shè)計和IGBT高壓大功率驅(qū)動應(yīng)用及原理，更多關(guān)于IGBT方案請咨詢上海工品實業(yè)有限公司。