IGBT驅(qū)動(dòng)電路解說.doc

1IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)IGBT，保證IGBT的可靠工作，驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用，圖1為典型的PWM信號(hào)控制圖騰柱電路以驅(qū)動(dòng)IGBT開通與關(guān)斷。對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求如下：圖1 IGBT典型驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)脈沖要有足夠快的上升速度和下降速度，即脈沖沿前后要陡峭；柵極串聯(lián)電阻Rg要恰當(dāng)，Rg過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，Rg過大，器件開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大。柵極-射極電壓(VGE)要恰當(dāng)，增大刪射正偏壓對(duì)減小開通損耗與導(dǎo)通損耗有利，但也會(huì)使IGBT承受短路時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)電壓增大。因此正偏壓要適當(dāng)，通常為+15V。為了保證在C-E間遇到噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓，以防止受到干擾時(shí)誤開通和加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗，幅值一般為-（510）V。當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在IGBT允許的時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵極電壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。下面從以上四個(gè)方面分析三種驅(qū)動(dòng)模塊電路（驅(qū)動(dòng)電路EXB841/840、SD315A集成驅(qū)動(dòng)模塊、M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動(dòng)電路）的特性。2.驅(qū)動(dòng)電路EXB841/8402.1EXB841驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部特性及其原理EXB841驅(qū)動(dòng)芯片是可作為600V400A或者1200V300A以下的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，具有單電源、正負(fù)偏壓、過流檢測(cè)及保護(hù)、軟關(guān)斷等特性。驅(qū)動(dòng)模塊導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間都在1.5s以內(nèi)。最大允許的開關(guān)頻率為40KHz。EXB 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：腳 1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳 2 ：電源（ 20V ）；腳 3 ：驅(qū)動(dòng)輸出；腳 4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器）；腳 5 ：過流保護(hù)輸出；腳 6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳 7 、 8 ：不接；腳 9 ： 電源地；腳 10 、 11 ：不接；腳 14 、 15 ：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（一，）；圖2驅(qū)動(dòng)電路EXB841/840EXB841 由放大部分、過流保護(hù)部分和 5V 電壓基準(zhǔn)部分組成。 放大部分由光耦合器 IS01（ TLP550 ）、 V2 、 V4 、 V5 和 R1 、 C1 、 R2 、 R9 組成，其中 IS01 起隔離作用， V2 是中間級(jí)， V4 和 V5 組成推挽輸出。過流保護(hù)部分由 V1 、 V3 、 VD6 、 VS1和 C2 、 R3 、 R4 、 R5 、 R6 、C3 、 R7 、 R8 、 C4 等組成。它們實(shí)現(xiàn)過流檢測(cè)和延時(shí)保護(hù)功能。 EXB84l 的腳 6 通過快速二極管 VD7 接至 IGBT 的集電極，顯然它是通過檢測(cè)電壓 Uce 的高低來判斷是否發(fā)生短路。5V 電壓基準(zhǔn)部分由 R10、VS2 和 C5 組成，既為驅(qū)動(dòng) IGBT 提供-5V 反偏壓，同時(shí)也為輸入光耦合器 IS01 提供副邊電源。其主要有三個(gè)工作過程：正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保護(hù)動(dòng)作過程。14和15兩腳間外加PWM控制信號(hào)，當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)施加于14和15引腳時(shí)，在柵極與源極之間產(chǎn)生約15V的IGBT開通電壓；當(dāng)觸發(fā)控制脈沖撤銷時(shí)，在柵極與源極之間產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過流保護(hù)動(dòng)作過程是根據(jù)IGBT的集電極與源極之間電壓Uce的大小判定是否過流而進(jìn)行保護(hù)的，Uce由二極管VD7檢測(cè)。當(dāng)IGBT開通時(shí)，若發(fā)生負(fù)載短路等發(fā)生大電流的故障，Uce會(huì)上升很多，使得VD7截止，EXB841的6腳“懸空”， C點(diǎn)電位開始由約8V上升，當(dāng)上升至13V時(shí)，Vs1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7和V3放電，E點(diǎn)的電壓逐漸下降，VD1導(dǎo)通，從而使IGBT的GE間電壓Uce下降，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，完成EXB841對(duì)IGBT的保護(hù)。射極電位為-5.1V，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vs2決定。 圖3 EXB841典型應(yīng)用電路表1 EXB841典型應(yīng)用相關(guān)電阻電感匹配參數(shù)2.2EXB841的典型應(yīng)用圖3為官方給出的EXB841的典型應(yīng)用電路。由于IGBT集電極在開通和關(guān)斷過程中，產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG有利于其安全工作。如果RG偏大，則開通關(guān)斷時(shí)間延長，使得開通能耗增加；相反，則使得di/dt增加，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。其中表1中給出了RG的相關(guān)取值。圖中電容用來吸收由電源連接阻抗引起的供電變化，并不是電源的供電濾波電容，取值參考表1。6腳過電流保護(hù)取樣信號(hào)連接端，通過快恢復(fù)二極管接IGBT集電極，可防止電機(jī)反電勢(shì)回流。14、15腳接驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一般14腳接脈沖形成部分的地，15腳接輸入信號(hào)的正端，15腳輸入電流一般應(yīng)該小于20mA，所以在15腳前加限流電阻。2.3EXB841/840驅(qū)動(dòng)模塊過流保護(hù)的缺點(diǎn)過流保護(hù)閥值過高：由EXB841實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的過程可知，EXB841判定過流的主要依據(jù)是6腳電壓6腳電壓U6不僅和Uce有關(guān),還和二極管VD2的導(dǎo)通電壓Ud及Ue有關(guān)，VD2在0506 V時(shí)即可開通，故過流保護(hù)閾值Uce0=u6-Ud-Ue=13 V-0.6 V-5.1 V=7.3 V。通常IGBT在通過額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降Uce為3.5V,當(dāng)Uce=Uce0=7.5 v時(shí)。IGBT已嚴(yán)重過流，對(duì)應(yīng)電流約為額定電流的23倍，因此，應(yīng)降低Uce0。負(fù)偏壓不足：ExB841為了防止較高dv/dt引起起IGBT誤動(dòng)作設(shè)置了負(fù)柵壓，實(shí)際負(fù)柵壓值一般不到-5 V在大功率臭氧電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中，電磁干擾使負(fù)柵壓信號(hào)中存在隨工作電流增大而增大的干擾尖鋒脈沖，其值可超過6 V，甚至達(dá)到89 V，能導(dǎo)致截止的IGBT誤導(dǎo)通，造成橋臂直通因此，有必要適當(dāng)提高負(fù)偏壓實(shí)際表明，在合理布局的基礎(chǔ)上，需采用8 V左右的負(fù)偏壓。存在虛假過流：一般大功率IGBT的導(dǎo)通時(shí)間ton在1s左右。實(shí)際上，IGBT導(dǎo)通時(shí)尾部電壓下降是較慢的，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工作電壓較高時(shí)，Uce下降至飽合導(dǎo)通壓降約需45s（包含驅(qū)動(dòng)芯片與IGBT），而過流檢測(cè)的延遲時(shí)間約為2.7s因此，在IGBT開通過程中，若過流保護(hù)動(dòng)作閾值太高，會(huì)出現(xiàn)虛假過流為了識(shí)別真假過流，5腳的過流故障輸出信號(hào)應(yīng)延時(shí)5s，以便外部保護(hù)電路對(duì)真正的過流進(jìn)行保護(hù)，在EXB841完成內(nèi)部軟關(guān)斷后再封鎖外加PWM信號(hào)。過流保護(hù)無自鎖功能：在過流保護(hù)時(shí)，EXB841對(duì)IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷，并在5腳輸出故障保護(hù)信號(hào)，但不能封鎖輸入PWM控制信號(hào)。3SD315A集成驅(qū)動(dòng)模塊3.1SD315A驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部特性及其原理SD315A是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的用來驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊，采用+15V單電源供電，內(nèi)部集成有過流保護(hù)單元。當(dāng)SCALE驅(qū)動(dòng)器用15V供電的時(shí)候，門極輸出土15V。負(fù)的門極電壓由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生。即在驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)柵極與源極之間開通時(shí)正偏壓為+15V，關(guān)斷時(shí)的負(fù)偏壓為-15V。這點(diǎn)可以避開EXB481中的負(fù)偏壓不足的問題。SD315A能輸出很大的峰值電流，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，和隔離電壓能力，適合于驅(qū) 動(dòng)等級(jí)為1200V/1700V極其以上的兩個(gè)單管或一個(gè)半橋式的雙單元大功率IGBT模塊。其中在作為半橋驅(qū)動(dòng)器使用的時(shí)候，可以很方便地 設(shè)置死區(qū)時(shí)間。SD315A內(nèi)部主要有三大功能模塊構(gòu)成，分別是LDI（Logic To Driver Interface，邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換接口）、IGD（Intelligent Gate Driver，智能門極驅(qū)動(dòng)）和輸入與輸出相互絕緣的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。圖4 SD315A內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖控制回路產(chǎn)生的PWM信號(hào)一般不能簡(jiǎn)單通過變壓器傳送，尤其是在很大的頻率變化或者占空比變化時(shí)，邏輯驅(qū)動(dòng)接口單元LDI就是為此設(shè)計(jì)的，其主要功能如下：用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的界面，每個(gè)信號(hào)的輸入都具有施密特觸發(fā)特性；簡(jiǎn)單匹配使用的邏輯電平（5-15V）；在半橋模式時(shí)可以產(chǎn)生所需要的死區(qū)時(shí)間，也可以屏蔽這個(gè)功能。把送來的脈沖信號(hào)進(jìn)行編碼以便通過脈沖變壓器傳送；對(duì)傳送過來的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行解碼，以傳輸給控制回路進(jìn)行處理。在SD315A中，所有智能門極驅(qū)動(dòng)的功能都集成在智能門極驅(qū)動(dòng)單元IGD中，包括變壓器接口、過流及短路保護(hù)、封鎖時(shí)間邏輯、狀態(tài)確認(rèn)、監(jiān)測(cè)供電電壓、其主要功能如下：對(duì)通過脈沖變壓器傳送過來的信號(hào)進(jìn)行解碼；把PWM信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)IGBT；檢測(cè)IGBT過流和短路狀態(tài)；產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)間和封鎖時(shí)間；輸出信號(hào)到控制單元LDI。SD315A驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：MOD引腳，模式選擇INA引腳、INB引腳，輸入通道SO1、SO2引腳，工作狀態(tài)輸出端RC1、RC2引腳，死區(qū)設(shè)置端3.2SD315A的典型應(yīng)用SD315A有兩種工作模式，分別是直接模式和半橋模式。模式選擇是通過引腳MOD來確定。當(dāng)MOD引腳接高電平時(shí)，為直接模式，在直接模式中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道是相互獨(dú)立的，這種模式下死區(qū)設(shè)置端RC1、RC2一定要同時(shí)接地。當(dāng)MOD引腳接地時(shí)，為半橋模式，半橋模式時(shí)，INA引腳輸入PWM信號(hào)，INB引腳作為信號(hào)使能端，通過設(shè)置RC1、RC2輸出端的電阻和電容可達(dá)到死去時(shí)間設(shè)置的目的。高電平有效，SO1、SO2引腳連在一起輸出狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)功率管正常時(shí)，信號(hào)為高，異常時(shí)，輸出為低電平。圖5 SD315A典型應(yīng)用電路為防止因關(guān)斷速度太快在IGBT的集電極上產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，在門極輸出 端采用如圖所示的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開通和關(guān)斷速度的不同。開通時(shí)門極電阻為3.4，關(guān)斷時(shí)電阻為6.8，二極管采用快恢 復(fù)型這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。圖中Rth與Rg前者為關(guān)斷電阻，后者為開通電阻。使用這種結(jié)構(gòu)的電路可以實(shí)現(xiàn)開通和關(guān)斷的速度的不一樣，增加了用戶使用的靈活性。3.3SD315A的過流保護(hù)SD315A的過流保護(hù)機(jī)制和EXB841稍微有所不同，它們都是通過判斷IGBT集電極和源極之間的電壓Uce來判斷是否過流。但是兩者處理方法不一樣，EXB841采用的是軟關(guān)斷方法。而SD315A是由IGD單元直接發(fā)出過流保護(hù)信號(hào)給控制回路進(jìn)行處理，同時(shí)SD315A發(fā)出封鎖信號(hào)封鎖輸出，保護(hù)IGBT。封鎖時(shí)間大約有1s左右，其過流保護(hù)動(dòng)態(tài)閥值電壓可以很方便地通過改變外接參考電阻Rth來調(diào)整。4M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動(dòng)電路4.1M57959L驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部特性及其原理M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動(dòng)電路采用雙電源（+15V，- 10V）供電，輸出負(fù)偏壓為-10V，輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短 路/過載保護(hù)和 封閉性短路保護(hù)功能，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性。其分別適合于驅(qū)動(dòng)1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的IGBT。M57959L/M57962L在驅(qū)動(dòng)中小功率的IGBT時(shí)，驅(qū)動(dòng)效果和各項(xiàng)性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當(dāng)其工作在高頻下時(shí)，其脈沖前后沿變的較差，即信號(hào)的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計(jì)，散熱不是很好，容易因過熱造成內(nèi)部器件的燒毀。圖6 M57959L內(nèi)部原理示意圖M57959L內(nèi)部由光電耦合電路、接口電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路四個(gè)部分組成，如圖6所示。其工作程序是：電源接通后首先自檢檢查IGBT是否短路或過載，若過載或短路，經(jīng)外接二極管流入檢測(cè)電路的電流增加，切斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)在8腳輸出高電平“過載/短路”指示信號(hào)；IGBT正常時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合、接口電路、再經(jīng)驅(qū)動(dòng)極功率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT。M57959L厚膜驅(qū)動(dòng)電路具有以下特點(diǎn)：采用光耦實(shí)現(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側(cè)。如果采用雙電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，輸出負(fù)柵壓比較高，電源電壓的極限值為+18V/-15V，一般取+15V/-10V。信號(hào)傳輸延遲時(shí)間短，低電平-高電平的傳輸延時(shí)以及高電平-低電平的傳輸延時(shí)時(shí)間都在1.5s以下。(a) M57959L典型應(yīng)用電路示意圖 (b)時(shí)序曲線圖7 M57959L典型應(yīng)用4.2M57959L典型應(yīng)用M57959L典型應(yīng)用如圖7所示，電源電壓Vcc