大功率IGBT模塊的驅(qū)動電路及參數(shù)選擇

1、文章編號:1009-2269(200302-0032-04大功率I G B T 模塊的驅(qū)動電路及參數(shù)選擇劉燕(蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校電氣工程系,甘肅蘭州730050摘要:根據(jù)IG B T 模塊的工作特性介紹了三種柵極驅(qū)動電路,即分立元件組成的驅(qū)動電路、集成元件組成的驅(qū)動電路、混合驅(qū)動電路,并討論了柵極驅(qū)動正向電壓、反向關(guān)斷電壓及R G 參數(shù)的合理確定。關(guān)鍵詞:IG B T ;驅(qū)動電路;參數(shù)選擇中圖分類號:TN 710文獻標識碼:BIG B T 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,又具有功率晶體管電流容量大等優(yōu)點。IG B T 以其獨特的高耐壓、大電流,較低的

2、導(dǎo)通壓降,優(yōu)良的開關(guān)特性,使其具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域。IG B T 頻率特性介于MOSFET 與功率晶體管之間,可正常工作于幾十千赫頻率范圍內(nèi),特別在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主要地位。IG B T 是電壓控制型器件,輸入電阻很大,工作時基本上不消耗功率,但IG B T 的柵源極間存在著較大的電容量(幾千至上萬皮法。驅(qū)動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)安培的充放電電流,才能滿足它開通和關(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。IG B T 作為一種大功率的復(fù)合器件,要保證它安全可靠高效地工作,驅(qū)動電路設(shè)計及驅(qū)動參數(shù)選擇是十分必要的。1柵極驅(qū)動電路IG B T 模塊的驅(qū)動電路

3、對于IG B T 的工作效率起著決定性的作用。對驅(qū)動電路的要求是既要減小開關(guān)損耗,又要求驅(qū)動波形好,振蕩小,過沖小。IG B T 工作于開關(guān)狀態(tài)時,必須對柵極進行充放電,充放電曲線如圖1所示,可以看出驅(qū)動IG B T 需要一定的電荷量,也就是驅(qū)動電路必須提供一定的驅(qū)動電壓及驅(qū)動功率1。驅(qū)動電路必須具備兩個功能:一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IG B T 柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。圖1柵極電荷曲線圖2為采用光電耦合器構(gòu)成的分立元件IG B T 驅(qū)動電路。當(dāng)輸入控制信號時,光耦VLC 導(dǎo)通,晶體管V 2截止,V 3導(dǎo)通,經(jīng)V C 、V

4、3、R G 輸出+15V 驅(qū)動電壓,使IG B T 開通。輸入信號為零時,VLC 截止,V 2,V 4導(dǎo)通,輸出-10V 電壓,使IG B T 截止。由于IG B T 具有MOS 柵極構(gòu)造,在開關(guān)過程中,柵極電流用于給柵極充、放電。在V 3導(dǎo)通時,電源+V C 通過R G 對IG B T 的柵極進行充電,在V 4導(dǎo)通時,通過R G 形成IG B T第10卷第2期2003年6月蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報Journal of Lanzhou Polytechnic College Vol.10,No.2J un.,2003收稿日期:2003-03-10作者簡介:劉燕(1964-,女,山東濟寧人,副教

5、授.柵極的放電通路。+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IG B T 柵極和源極的引線應(yīng)采用雙絞線,長度最好不超過0.5m ,以減小連線電感2,抑制振蕩電壓 。 圖2分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路圖3集成電路構(gòu)成的驅(qū)動電路圖3為由集成電路TL P250構(gòu)成的驅(qū)動電路。TL P250內(nèi)置光耦的隔離電壓可達2500V ,上升和下降時間均小于0.5s ,輸出電流達0.5A ,可直接驅(qū)動50A/1200V 以內(nèi)的IG B T 元件,外加推挽放大晶體管后,可驅(qū)動電流容量更大的IG B T 。TL P250構(gòu)成的驅(qū)動器體積小,價格便宜,是不帶過流保護的IG 2B T 驅(qū)動器中較理想

6、的選擇。圖4為由驅(qū)動模塊EXB841構(gòu)成的帶短路保護的驅(qū)動電路。驅(qū)動模塊EXB841中的光電耦合器對1415端的輸入控制電路與13端輸出電路及電源29端進行隔離。當(dāng)1415端有正脈沖時,光耦導(dǎo)通,13端輸出脈沖幅值為+15V ;當(dāng)1415端沒有正脈沖時,光耦截止,13端子間處于-10V 偏壓。29端和19端的電容用于觸發(fā)電源和1號輸出端的平波?？焖俣O管ERA34-10用于IG B T 的短路保護,6號端子經(jīng)ERA34-10接至主回路IG B T 的集電極。當(dāng)IG 2BT 發(fā)生短路(過電流故障時,由IG BT 輸出特性知道,U CE 將隨I C 急劇增大而增大。本來處于導(dǎo)通狀態(tài)的ERA34圖4

7、電路混合模塊組成的驅(qū)動電路-10因此反向截止,驅(qū)動電路保護功能動作,輸出觸發(fā)電壓U GE 從+15V 下拉到+10V ,IG B T 能承受短路的時間增長,從而允許變頻器裝置內(nèi)硬件、特別是軟件能有充分的時間去執(zhí)行軟關(guān)斷保護。與此同時5號端子所接的光電耦合器動作,耦合器的輸出端接至控制電路,使之封鎖住觸發(fā)信號,保護了IG B T 不繼續(xù)導(dǎo)通。33第2期劉燕:大功率IG B T 模塊的驅(qū)動電路及參數(shù)選擇2驅(qū)動參數(shù)選擇2.1柵極驅(qū)動的正向電壓IG B T 柵極驅(qū)動的正向電壓是一個重要參數(shù)。導(dǎo)通時,集電極-發(fā)射極間電壓U CE 隨集電極電流I C 、柵極驅(qū)動電壓U GE 而變化。從圖5中我們看出,在同

8、樣的集電極電流下,U GE =15V 時對應(yīng)的U CE 明顯比U GE =10V 的U CE 小,一般而言,U GE 越大,U CE 越小,通態(tài)功耗越小,所以一般希望有較高的柵極電壓以提高變換器的整機效率。但是,過高的柵極電壓將對集電極電流I C 產(chǎn)生明顯影響,U GE 增加,I C 電流增加,如圖6所示,當(dāng)柵極電壓超過門限電壓后,集電極電流I C 隨柵極電壓U GE 的增加而急劇上升,當(dāng)外電路發(fā)生嚴重過流或短路時,集電極將承受較大電流的沖擊,而且沖擊電流越大,能承受電流沖擊的時間就越短1。所以柵極電壓低一些可減輕短路時大電流的沖擊。對于IG B T 來說,柵極-發(fā)射極間電壓U GE 的最大允

9、許值為U GE =±20V 。綜合考慮并經(jīng)實驗驗證,柵極正向驅(qū)動電壓設(shè)定為+15V 時效果較好 。圖5IGBT 功率管U GE -U CE 曲線圖6IG B T 功率管U GE -I C 曲線2.2柵極關(guān)斷反向電壓IG B T 在關(guān)斷過程中,柵極與射極之間要加負偏壓,這樣有助于提高IG B T 的抗干擾能力,加快IG B T 的關(guān)斷,但反向偏壓的大小受IG B T 柵極與發(fā)射極之間最大反向耐壓及最小控制電壓的限制1。IG B T 在芯片形成時,各電極之間存在分布電容,當(dāng)在柵源之間加負偏壓,使IG B T 處于關(guān)斷,而C -E 兩端有變化的電壓時,此電壓經(jīng)電容形成充電電流。當(dāng)U GE

10、負偏壓較大時,該電流還不足以使柵極電位升得太高。而當(dāng)U GE 負偏壓較小時,柵極電壓將升高,并足以使IG B T 導(dǎo)通,從而使I C 增大,從而造成誤導(dǎo)通,影響整個電路的工作,因此,IG B T 關(guān)斷時要加5V 以上的負偏壓。一般中等功率變換器反偏壓56V 即可,大功率變換器的IG B T 一般可加912V 的反偏壓。2.3R G 和R GE 的參數(shù)大小由于IG B T 柵極輸入為電容型,靜態(tài)驅(qū)動時幾乎沒有直流電流,其直流增益很高。但工作在幾十千赫的開關(guān)狀態(tài)時,為了防止柵極電容和驅(qū)動電路的分布電感產(chǎn)生自激振蕩,一般要在柵極串聯(lián)消振電阻R G ,用來降低振蕩回路的Q 值,破壞自激振蕩的條件。IG

11、 B T 柵極驅(qū)動電壓的上升、下降速率對IG B T 的開通和關(guān)斷過程有著較大的影響。在正常情況下,IG B T 的開通越快,損耗越小,所以柵極串聯(lián)電阻小有利于IG B T 的開通,但在開通過程中,開通越快,IG B T 承受的峰值電流越大,越容易導(dǎo)致IG B T 的損壞,此時又應(yīng)增加電阻R G 以降低柵極驅(qū)動上升速率,因此,R G 的大小應(yīng)綜合考慮,對于輸出電流在500A 左右的IG B T ,電阻R G 取23比較合適3。當(dāng)IG B T 集電極在高壓下工作時,為防止柵極受外界干擾造成誤觸發(fā)導(dǎo)通,應(yīng)在柵極和發(fā)射極之間并聯(lián)一個電阻R GE ,這個電阻應(yīng)緊靠柵極和發(fā)射極,并且電阻值不能太小,否則

12、會造成柵極驅(qū)動電壓不足和關(guān)斷43蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報第10卷過快,使集電極產(chǎn)生較高的尖峰電壓。此電阻一般為幾十千歐。3結(jié)束語柵極驅(qū)動電路對于IG B T 模塊的工作效果有著顯著的影響,因此掌握驅(qū)動電路的工作原理、特點,對IG 2B T 模塊正確選擇與使用是很重要的。柵極驅(qū)動電壓及柵極串并聯(lián)電阻對IG B T 的開通過程驅(qū)動波形有很大影響,設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。參考文獻:1陳國呈.PWM 變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)M .北京:機械工業(yè)出版社,2001.2蔣懷剛,袁開發(fā),何志偉.IG B T 模塊驅(qū)動及保護技術(shù)J .電源世界,2002,(7:2226.3李崇建.通信電源技術(shù)標準及測量M .北京:

13、北京郵電大學(xué)出版社,2002.The Drive Circuit and Parameter Selecting of the Big -pow er IGBT ModuleL IU Yan(The Electrical Engineering Department of Lanzhou Polytechnic College ,Lanzhou 730050,China Abstract :According to working characteristics of IG B T module ,three kinds of grid drive circuits are introduced in this paper ,that is ,the drive circuits consisted of discrete component ,integration component and mixing drive module