(國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn))三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動電路的分析

1、（國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)）三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動電路的分析20XX年XX月峯年的企三相逆變器中 IGBT 的幾種驅(qū)動電路的分析1 前言電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器件得到了迅速的發(fā)展。20世紀(jì) 80 年代，為了給高電壓應(yīng)用環(huán)境提供壹種高輸入阻抗的器件，有人提出了 絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）1。于 IGBT 中，用壹個 MOS 門極區(qū)來控制 寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了壹種具有功率MOSFET的高輸入阻抗和雙極型器件優(yōu)越通態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件，它具有控制 功率小、開關(guān)速度快和電流處理能力大、飽和壓降低等性能。于中小功率、低噪 音和高性能的電源、逆變器

2、、不間斷電源（UPS）和交流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中， 它是目前最為常見的壹種器件。功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅(qū)動電路也于不斷地發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多專用的 驅(qū)動集成電路。IGBT 的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負 向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于 以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源 的情況。圖 1 為壹典型的 IGBT 驅(qū)動電路原理示意圖。因為 IGBT 柵極 發(fā)射極 阻抗大，故可使用 MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于 IGBT 的輸入電容較 MOSFET 為大，故 IGBT 的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多 M

3、OSFET 驅(qū)動電路提供的偏壓 更咼。廣告插播信息維庫最新熱賣芯片：FX602D4ICM7555LM317D2T-TRTPA1517DWPRBL3207IRFR13N20DSP708RENCY2305SXC-1AD8108ASTLXT970QC對 IGBT 驅(qū)動電路的壹般要求23 :1） 柵極驅(qū)動電壓 IGBT 開通時，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令 IGBT 產(chǎn)生完全飽和，且使通態(tài)損耗減至最小，同時也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。于 任何情況下，開通時的柵極驅(qū)動電壓，應(yīng)該于1220V 之間。當(dāng)柵極電壓為零時，IGBT 處于斷態(tài)。但是，為了保證 IGBT 于集電極 發(fā)射極電壓上出現(xiàn) dv/d

4、t 噪聲時仍保持關(guān)斷，必須于柵極上施加壹個反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓仍減少 了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該于一 5一 15V 之間。2） 串聯(lián)柵極電阻（Rg）選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對 IGBT 柵極驅(qū)動相當(dāng)重要。IGBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對IGBT 的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小 開關(guān)時間和開關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免 dv/dt 帶來的誤導(dǎo)通），但和此同時，它只能承受較小的柵極噪聲，且可能導(dǎo)致柵極-發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。3） 柵極驅(qū)動功率 IGBT 要消耗來自柵

5、極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動負、正偏 置電壓的差值 UGE、柵極總電荷 QG 和工作頻率 fs 的影響。電源的最大峰值電流 IGPK 為: 于本文中，我們將對幾種最新的用于 IGBT 驅(qū)動的集成電路做壹個詳細的介紹， 討論其使用方法和優(yōu)缺點及使用過程中應(yīng)注意的問題。2 幾種用于 IGBT 驅(qū)動的集成芯片2.1TLP250 （TOSHIBA 公司生產(chǎn)）于壹般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種和電流相關(guān)的性能控制，通過檢測 直流母線上流入逆變橋的直流電流即可，如變頻器中的自動轉(zhuǎn)矩補償、轉(zhuǎn)差率補 償?shù)取Ｍ瑫r，這壹檢測結(jié)果也可以用來完成對逆變單元中 IGBT 實現(xiàn)過流保護等 功能。因此于這種逆變器中

6、，對 IGBT 驅(qū)動電路的要求相對比較簡單，成本也比 較低。這種類型的驅(qū)動芯片主要有東芝公司生產(chǎn)的 TLP250 ，夏普公司生產(chǎn)的 PC923 等等。這里主要針對 TLP250 做壹介紹。TLP250 包含壹個 GaAlAs 光發(fā)射二極管和壹個集成光探測器， 8 腳雙列封裝結(jié) 構(gòu)。適合于 IGBT 或電力 MOSFET 柵極驅(qū)動電路。 圖 2 為 TLP250 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡 圖，表 1 給出了其工作時的真值表。TLP250 的典型特征如下：1 ）輸入閾值電流（ IF）： 5mA （最大）；2 ）電源電流（ ICC）： 11mA （最大）；3）電源電壓（VCC）: 1035V ;4）輸出電流（

7、IO）： 0.5A （最?。?）開關(guān)時間（tPLH/tPHL ）:0.5 卩 s （最大）；6 ）隔離電壓： 2500Vpms （最小）。表 2 給出了 TLP250 的開關(guān)特性，表 3 給出了 TLP250 的推薦工作條件。注：使用 TLP250 時應(yīng)于管腳 8 和 5 間連接壹個 0.1 卩的陶瓷電容來穩(wěn)定高增益 線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關(guān)性能，電容和光耦之間的引 線長度不應(yīng)超過 1cm 。圖 3 和圖 4 給出了 TLP250 的倆種典型的應(yīng)用電路。于圖 4 中，TR1 和 TR2 的選取和用于 IGBT 驅(qū)動的柵極電阻有直接的關(guān)系，例如, 電源電壓為 24V 時，

8、TR1 和 TR2 的 Icmax 24/Rg。圖 5 給出了 TLP250 驅(qū)動 IGBT 時，1200V/200A 的 IGBT 上電流的實驗波形（50A/10 卩 s 可以見出，由于 TLP250 不具備過流保護功能，當(dāng) IGBT 過流時, 通過控制信號關(guān)斷 IGBT，IGBT 中電流的下降很陡，且有壹個反向的沖擊。這將 會產(chǎn)生很大的 di/dt 和開關(guān)損耗，而且對控制電路的過流保護功能要求很高。TLP250 使用特點：1）TLP250 輸出電流較小，對較大功率 IGBT 實施驅(qū)動時，需要外加功率放大電2）由于流過 IGBT 的電流是通過其它電路檢測來完成的， 而且僅僅檢測流過 IGBT

9、的電流，這就有可能對于 IGBT 的使用效率產(chǎn)生壹定的影響，比如 IGBT 于安全 工作區(qū)時，有時出現(xiàn)的提前保護等?？捎糜谶_到 40kHz 開關(guān)頻率工作的 IGBT）O3 ）要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應(yīng)要快，壹般由過電流發(fā)生到 IGBT 可靠關(guān)斷應(yīng)于 10 ys 以內(nèi)完成。4）當(dāng)過電流發(fā)生時， TLP250 得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號，對 IGBT 的柵極施加 壹負電壓，使 IGBT 硬關(guān)斷。這種主電路的 dv/dt 比正常開關(guān)狀態(tài)下大了許多， 造成了施加于 IGBT 倆端的電壓升高很多，有時就可能造成 IGBT 的擊穿。2.2EXB8.Series （FUJIELECTRIC 公司

10、生產(chǎn)）隨著有些電氣設(shè)備對三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身的原因，于現(xiàn) 有的許多逆變器中，把逆變單元 IGBT 的驅(qū)動和保護和主電路電流的檢測分別由 不同的電路來完成。 這種驅(qū)動方式既提高了逆變器的性能， 又提高了 IGBT 的工 作效率， 使 IGBT更好地于安全工作區(qū)工作。這類芯片有富士公司的 EXB8.Series、 夏普公司的 PC929等。于這里，我們主要針對 EXB8.Series 做壹介紹。EXB8.Series 集成芯片是壹種專用于 IGBT 的集驅(qū)動、保護等功能于壹體的復(fù)合 集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅(qū)動用變頻器、伺服電機驅(qū)動、UPS、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。

11、具有以下的特點：1）不同的系列（標(biāo)準(zhǔn)系列可用于達到 10kHz 開關(guān)頻率工作的 IGBT，高速系列2 ）內(nèi)置的光耦可隔離高達 2500V/min 的電壓3）單電源的供電電壓使其應(yīng)用起來更為方便。4 ）內(nèi)置的過流保護功能使得 IGBT 能夠更加安全地工作。5）具有過流檢測輸出信號。6）單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式。常用的 EXB8.Series 主要有：標(biāo)準(zhǔn)系列的 EXB850 和 EXB851 ，高速系列的 EXB840 和EXB841 。其主要應(yīng)用場合如表 4 所示。注：1）標(biāo)準(zhǔn)系列：驅(qū)動電路中的信號延遲w4us2）高速系列：驅(qū)動電路中的信號延遲w1.5us圖 6 給出了 EXB

12、8.Series 的功能方框圖。表 5 給出了 EXB8.Series 的電氣特性。表 6 給出了 EXB8.Series 工作時的推薦工作條件。 表 6EXB8.Series 工作時的推 薦工作條件圖 7 給出了 EXB8.Series 的典型應(yīng)用電路。EXB8.Series 使用不同的型號，可以達到驅(qū)動電流高達 400A ，電壓高達 1200V的各種型號的 IGBT。由于驅(qū)動電路的信號延遲時間分為倆種：標(biāo)準(zhǔn)型（EXB850、EXB851 ） 4us，高速型（B840、EXB841）w1us，所以標(biāo)準(zhǔn)型的適用于 頻率高達 10kHz的開關(guān)操作，而高速型的 IC 適用于頻率高達 40kHz 的

13、開關(guān)操作 于應(yīng)用電路的設(shè)計中，應(yīng)注意以下幾個方面的問題：IGBT 柵 射極驅(qū)動電路接線必須小于 1m ；IGBT 柵 射極驅(qū)動電路接線應(yīng)為雙絞線；如想于 IGBT 集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，那么增加 IGBT 柵極串聯(lián)電阻(Rg) 即可；應(yīng)用電路中的電容 C1 和 C2 取值相同，對于 EXB850 和 EXB840 來說，取 值為 33 卩 F，對壬 XB851 和 EXB841 來說，取值為 47 卩 F。該電容用來吸收由電 源接線阻抗而引起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。EXB8.Series 的使用特點：1)EXB8.Series 的驅(qū)動芯片是通過檢測 IGBT于導(dǎo)通過程中的飽和

14、壓降 Uce來 實施對 IGBT的過電流保護的。對于 IGBT 的過電流處理完全由驅(qū)動芯片自身完 成，對于電機驅(qū)動用的三相逆變器實現(xiàn)無跳閘控制有較大的幫助。2)EXB8.Series 的驅(qū)動芯片對 IGBT 過電流保護的處理采用了軟關(guān)斷方式，因此 主電路的 dv/dt 比硬關(guān)斷時小了許多，這對 IGBT 的使用較為有利，是值得重視 的壹個優(yōu)點。3)EXB8.Series 驅(qū)動芯片內(nèi)集成了功率放大電路，這于壹定程度上提高了驅(qū)動電路的抗干擾能力4）EXB8.Series 的驅(qū)動芯片最大只能驅(qū)動 1200V/300A 的 IGBT,且且它本身且 不提倡外加功率放大電路，另外，從圖 7 中可以見出，該

15、類芯片為單電源供電，IGBT 的關(guān)斷負電壓信號是由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的一 5V 信號， 容易受到外部的干擾。因此對于 300A以上的 IGBT 或者 IGBT 且聯(lián)時,就需要考慮別的驅(qū)動芯片, 比如 三菱公司的 M57962L 等。圖 8 給出了 EXB841 驅(qū)動 IGBT 時，過電流情況下的實驗波形。可以見出，正如 前面介紹過的，由于 EXB8.Series芯片內(nèi)部具備過流保護功能， 當(dāng) IGBT過流時, 采用了軟關(guān)斷方式關(guān)斷 IGBT，所以 IGBT 中電流是壹個較緩的斜坡下降，這樣壹 來， IGBT 關(guān)斷時的 di/dt 明顯減少， 這于壹定程度上減小了對控制電路的過流保 護性能的要求。2.

16、3M579.Series （MITSUBISHI 公司生產(chǎn)）M579.Series 是日本三菱公司為 IGBT 驅(qū)動提供的壹種 IC 系列，表 7 給出了這 種系列的幾種芯片的基本應(yīng)用特性（其中有者為芯片內(nèi)部含有 BOOSTER 電 路）。于 M579.Series 中，以 M57962L 為例做出壹般的解釋。 隨著逆變器功率的增大 和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動信號的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高 驅(qū)動信號關(guān)斷 IGBT 時的負電壓，M57962L 的負電源是外加的（這點和EXB8.Series 不同），所以實現(xiàn)起來比較方便。它的功能框圖和圖6 所示的EXB8.Series 功能框圖極為

17、類似，于此不再贅述。圖 9 給出了 M57962L 于驅(qū)動大功率 IGBT 模塊時的典型電路圖。于這種電路中，NPN 和 PNP 構(gòu)成的電壓提升電路選用快速晶體管(tf 200ns )，且且要有足夠的電流增益以承載需要的電流。于使用 M57962L 驅(qū)動大功率 IGBT 模塊時，應(yīng)注意以下三個方面的問題：1 )驅(qū)動芯片的最大輸出電流峰值受柵極電阻 Rg 的最小值限制，例如，對于M57962L 來說，Rg 的允許值于 5Q左右，這個值對于大功率的 IGBT 來說高了 壹些，且當(dāng) Rg較高時，會引起 IGBT 的開關(guān)上升時間 td(on) 、下降時間 td(off) 以及開關(guān)損耗的增大，于較高開關(guān)

18、頻率( 5kHz 以上)應(yīng)用時，這些附加損耗是 不可接受的。2) 即便是這些附加損耗和較慢的開關(guān)時間可以被接受，驅(qū)動電路的功耗也必須 考慮，當(dāng)開關(guān)頻率高到壹定程度時(高于 14kHz )，會引起驅(qū)動芯片過熱。3) 驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷會使大功率 IGBT 模塊的開關(guān)效率降低， 這是因為大功率IGBT 模塊的柵極寄生電容相對比較大，而驅(qū)動電路的輸出阻抗不夠低。仍有， 驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷仍會使大功率 IGBT 模塊需要較大的吸收電容。以上這三種限制可能會產(chǎn)生嚴重的后果， 但通過附加的 BOOSTER 電路均可以加 以克服，如圖 9 所示。從圖 10 (a)可以見出，于 IGBT 過流信號輸出以后，門極電壓會以壹個緩慢的 斜率下降。圖 10(b )及圖 10 (c)給出了 IGBT 短路時的軟關(guān)斷過程(集電極 發(fā)射極之間的電壓 uCE 和