IGBT自舉的驅(qū)動方式

1、淺談IGBT自舉的驅(qū)動方式發(fā)布時(shí)間：2012-03-23 10:00類型：技術(shù)前沿286人瀏覽自舉懸浮驅(qū)動電源大大簡化了驅(qū)動電源設(shè)計(jì)，只用一路電源即可以完成上下橋臂兩個功率開關(guān)器件的驅(qū)動驅(qū)動電路的抗干擾技術(shù)一、電平箝位自舉驅(qū)動電路不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，如果用于驅(qū)動橋式電路，在半橋電感負(fù)載電路下運(yùn)行，處于關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT由于其反并聯(lián)二極管的恢復(fù)過程，將承受集電極-發(fā)射極間電壓的急劇上升。此靜態(tài)的du/dt通常比IGBT關(guān)斷時(shí)的上升率高。由于電容密勒效應(yīng)的影響，此du/di在集電極-柵極間電容內(nèi)產(chǎn)生電流，流向柵極驅(qū)動電路。如圖1-1所示。雖然在關(guān)斷狀態(tài)下柵極電壓UGE為零，由于柵極電路的阻抗（柵極限

2、流電阻RG、引線電感LG），該漏電流使UGE增加，趨向于UGE(th)。最惡劣的情況是使該電壓達(dá)閥值電壓，該IGBT將被開通，導(dǎo)致橋臂短路。驅(qū)動電路輸出阻抗不夠小，沿柵極的灌入電流會在驅(qū)動電壓上加上比較嚴(yán)重的毛刺干擾。針對自舉電路的不足，在實(shí)際應(yīng)用中需對輸出驅(qū)動電流進(jìn)行改進(jìn)，其改進(jìn)方法是在柵極限流電阻上反并聯(lián)一個二極管，但此方法在大功率下效果不太明顯。對于大功率IGBT，可采用圖2-2所示的電路，在關(guān)斷期間將柵極驅(qū)動電平箝位到零電平。在橋臂上管開通期間，驅(qū)動信號使VT1導(dǎo)通、VT2截止。上管關(guān)斷期間，VT1截止，VT2基極呈高電平而導(dǎo)通，將上管柵極電位拉到低電平（三極管的飽和壓降）。這樣，由于

3、電容密勒效益產(chǎn)生的電流從VT2中流過，柵極驅(qū)動波形上的毛刺可以大大減小。下管同理。二、負(fù)壓驅(qū)動電路在大功率IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)而中，各路驅(qū)動電源獨(dú)立，集成驅(qū)動電流一般都有產(chǎn)生負(fù)壓的功能，在IGBT關(guān)斷期間在柵極上施加負(fù)電壓，一般為-5V。其作用也是為了增強(qiáng)IGBT關(guān)斷的可靠性，防止由于電容密勒效益而造成IGBT誤導(dǎo)通。自舉電路無這一功能，但可以通過加幾個無源器件來實(shí)現(xiàn)負(fù)壓的功能，如圖3-3所示。在上下管驅(qū)動電路中均加上由C5和C6以及5V穩(wěn)壓管ZD1和ZD2組成的負(fù)壓電路，其工作原理為：電源電壓VCC為20V，在上電期間，電源通過R1給C6充電，C6上保持5V的電源。在下橋驅(qū)動光耦工作時(shí)，&#

4、160;下橋驅(qū)動光耦引腳5輸出20V高電平，這時(shí)加在下管S2柵極上的電壓為20V-5V=15V，IGBT正常導(dǎo)通。當(dāng)下橋驅(qū)動光耦不工作時(shí)，下橋驅(qū)動光耦引腳5輸出0V，此時(shí)S2柵極上的電壓為-5V,從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)所需的負(fù)壓。對于上管S1，在上橋驅(qū)動光耦工作時(shí)，上橋驅(qū)動光耦引腳5輸出20V電壓，加在S1柵極上的電壓為15V。在上橋驅(qū)動光耦不工作時(shí)，上橋驅(qū)動光耦引腳5端輸出為0V，S1柵極電壓為-5V。由于IGBT為電壓型驅(qū)動器件，所以負(fù)壓電容C5和C6上的電壓波動較小，維持在5V，自舉電容上的電壓也維持在20V左右，只在下管S2導(dǎo)通的瞬間有一個短暫的充電過程。IGBT的導(dǎo)通壓降一般小于3V，負(fù)壓電

5、容C5的充電在S2導(dǎo)通時(shí)完成。對于C5、C6的選擇，要求其容量大于IGBT柵極輸入寄生電容Ciss。自舉電容充電電路中的二極管VD1必需是快恢復(fù)二極管，應(yīng)留有足夠的電流裕量。三、變頻運(yùn)行時(shí)自舉電容的充放電自舉電容(C1)的從電時(shí)序（1）:IGBT2導(dǎo)通（圖4-4）當(dāng)IGBT2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，C1上的充電電壓VC1可通過下式計(jì)算；VC1=VCC-VF1-Vsat2-ID*R2（過度過程）VC1=VCC（穩(wěn)定狀態(tài)）此處VCC為控制電源電壓，VF1為二極管D1的順方向壓降，Vsat2為IGBT2的飽和壓降然后，IGBT2被關(guān)斷，此時(shí)上下橋臂同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，電機(jī)電流通過FWD1進(jìn)入續(xù)流模式。當(dāng)VS處

6、電位上升至接近P處電位時(shí)C1停止充電。當(dāng)IGBT1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，由于驅(qū)動電路要消耗電流，所以C1上的電壓將從VC1開始逐漸下降。（如圖5-5）（2）：IGBT2關(guān)斷FWD2導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)當(dāng)IGBT2關(guān)斷FWD2導(dǎo)通時(shí)，C1上的充電電壓VC1可通過下式來計(jì)算：VC1=VCC-VF1+VEC2此處VEC2為FWD2的順方向下壓降,IGBT2和IGBT1都關(guān)斷時(shí)，通過FWD2保持續(xù)流模式。因此，當(dāng)VS處的電位下降到VEC2時(shí)，C1開始充電以恢復(fù)其下降的電位。當(dāng)VS處電位上升至接近P電位水平時(shí)，C1停止充電。其后，IGBT1再次導(dǎo)通時(shí)，由于驅(qū)動電路要消耗電流，C1上的電壓將從VC1(2)電位開始逐漸下降

7、。四、自舉電容及柵極限流電阻的選取  自舉電容由一個大電容和一個小電容并聯(lián)組成，在頻率為20KHz左右的工作狀態(tài)下選用1uF的電容和0.1uF的電容并聯(lián)使用。并聯(lián)高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓。主電路上管的驅(qū)動電壓波形峰頂不應(yīng)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。驅(qū)動大容量的IGBT器件時(shí)，在工作頻率較低的情況下要注意自舉電容電壓穩(wěn)定性問題，故應(yīng)選用較大容量的電容。  選擇適當(dāng)?shù)臇艠O限流電阻對IGBT驅(qū)動來說相當(dāng)重要，因?yàn)镮GBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實(shí)現(xiàn)的，所以柵極電阻將對IGBT的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的柵極電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小

8、開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。同時(shí)較小的柵極電阻增強(qiáng)了IGBT器件的耐固性，避免du/dt帶來的誤導(dǎo)通，但與此同時(shí)它只能承受較小的柵極噪聲，并導(dǎo)致柵極-發(fā)射極之間的電容同驅(qū)動電路引線的寄生電感產(chǎn)生振蕩問題。另外，較小的柵極電阻還使得IGBT開通時(shí)di/dt變大，會導(dǎo)致較高的du/dt，增加了反向恢復(fù)二級管的浪涌電壓。在低頻應(yīng)用情況下，開關(guān)損耗不成為一個重要的考慮因素，柵極電阻增大可以提供較慢的開通速度，這時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮柵極的瞬態(tài)電壓和驅(qū)動電流。對于不同容量的IGBT，其柵極限流電阻有不同的取值。一般是功率越大的IGBT的柵極電阻越小，同時(shí)對柵極驅(qū)動電路的布線也有嚴(yán)格要求，引線電感應(yīng)盡可能小。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根

9、據(jù)具體的情況作調(diào)整，選取最合適的值。   采用自舉驅(qū)動電路設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用情況采用不同的抗干擾措施自舉式2ED020I12-F芯片在IGBT驅(qū)動電路中的應(yīng)用    1 引言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種開關(guān)器件如power mosfet、igbt（絕緣柵雙極晶體管）等功率開關(guān)器件得到越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)各種開關(guān)器件的驅(qū)動芯片也同樣得到了高度的重視。目前大多數(shù)的驅(qū)動集成電路采用直接驅(qū)動或隔離驅(qū)動的方式。隔離驅(qū)動的集成驅(qū)動芯片，如exb841系列、tlp250等，這種芯片的特點(diǎn)是只能驅(qū)動單個功率管，且每路

10、驅(qū)動都要一組獨(dú)立的電源，增加了電源電路和驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。德國英飛凌公司生產(chǎn)的2ed020i12-f驅(qū)動芯片是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動器，具有自舉浮動電源，驅(qū)動電路簡單，單片2ed020i12-f驅(qū)動芯片可同時(shí)驅(qū)動逆變電路上下橋臂，三相橋式逆變電路僅用一組電源即可。使用2ed020i12-f驅(qū)動芯片可以減小裝置體積，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性。2 2ed020i12-f驅(qū)動芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)2ed020i12-f芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括：邏輯邏入、電平轉(zhuǎn)換、欠電壓保護(hù)、無核心變壓器（clt），一個通用運(yùn)算放大器和一個通用比較器。芯片采用上下橋臂分別獨(dú)立供電，

11、當(dāng)vsh和vsl兩端電壓均在13v18v之間時(shí)，驅(qū)動芯片正常工作，當(dāng)兩端電壓低于11v時(shí)，芯片內(nèi)部啟動欠電壓保護(hù)；邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗干擾能力，輸入邏輯電路與3.3v和5v的ttl電平兼容；當(dāng)/sd引腳為低電平時(shí)，inh和inl封鎖脈沖，模塊關(guān)閉信號輸入；當(dāng)inh和inl同時(shí)為高電平時(shí)，模塊自動檢測到邏輯錯誤，關(guān)閉驅(qū)動芯片輸出。通用的運(yùn)算放大器和比較器可以用于逆變橋下橋臂igbt的電流檢測。為了保證信號傳輸時(shí)上下橋臂各通道相對獨(dú)立，在芯片內(nèi)部上橋臂端引入一個微小無核心變壓器（clt）作為上橋臂和下橋臂之間的電氣屏蔽層。信號在無核心變壓器（clt）一側(cè)通過專門的編碼發(fā)射器發(fā)送，在

12、另一側(cè)以相應(yīng)的接收器恢復(fù)。通過這種方式，由gndh（dvgndh/dt或磁通量（d/ dt）的變化而產(chǎn)生的emi可以得到很好抑制。為了補(bǔ)償發(fā)射器傳輸、無核心變壓器和接收器所產(chǎn)生的傳輸延遲，在下橋臂引入了一個專用的傳播延遲（delay）。這種無核心變壓器的隔離方式不僅集中了光耦隔離和集成電平位移等方法的優(yōu)點(diǎn)，而且避免了缺點(diǎn)。提供了可靠的電氣隔離并且保證了輸入輸出信號的傳輸。圖1 2ed020i12-f內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 帶外部保護(hù)的驅(qū)動電路3 2ed020i12-f驅(qū)動芯片典型電路工作原理2ed020i12-f驅(qū)動芯片的最大開關(guān)頻率可以穩(wěn)定的達(dá)到60khz，所以它既可以驅(qū)動igbt，又可以驅(qū)動場效應(yīng)管

13、mosfet。所以2ed020i12-f驅(qū)動芯片的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，可以用于各種中小功率逆變電源，中小功率變頻器以及電機(jī)馬達(dá)的驅(qū)動電路中。3.1 自舉電路的設(shè)計(jì)自舉電路也叫升壓電路，通常由二極管和電容組成，利用自舉升壓電容存儲電壓，自舉升壓二極管防止電流倒灌，使電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高。自舉二極管主要用于阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選用反向漏電流小的快恢復(fù)二極管（高頻二極管），例如in4148、fr107等。自舉電容的選擇比較關(guān)鍵，下橋臂導(dǎo)通時(shí)給電容充電，當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時(shí)電容依靠自身存儲的能量維持上橋臂柵極為高電平。如果電

14、容選取的過大，可能使下橋臂關(guān)斷時(shí)電容兩端還沒有達(dá)到要求的電壓；而電容選擇較小則會導(dǎo)致電容存儲的能量不夠維igbt持柵源電壓在上橋臂導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)為定值。有可能的話最好選擇非電解電容，且電容應(yīng)盡可能的靠近芯片。有公式（1）計(jì)算所得的自舉電容的值具有足夠的穩(wěn)定性。 （1）式中：qg門級電荷；iq驅(qū)動器靜態(tài)電流；il電解電容的漏電流；fs開關(guān)頻率；vdd電源電壓；vf自舉二極管正向?qū)妷海籿ceigbt下橋臂集射級電壓差。一般情況下為保證自舉電容將柵源電壓持續(xù)一段時(shí)間，選電容容值為其最小值的10倍左右。低端驅(qū)動器能夠耦合中等功率變換器的接地波動。但是，這里要求電路板上驅(qū)動芯片的gnd引腳和g

15、ndl引腳必須以盡可能短的線連接，可以減小由于接點(diǎn)波動引起的壓降。3.2 電流檢測電路在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電流檢測電路常用來在電動機(jī)系統(tǒng)短路或者過電流是進(jìn)行保護(hù)，可見在一個變頻調(diào)速系統(tǒng)中電流檢測是尤為重要的。2ed020i12-f驅(qū)動芯片本身具有一個通用運(yùn)算放大器和一個通用電壓比較器，可以很容易得到一個過電流檢測的電路。首先通過采樣電阻rsh將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過r3、c7組成的rc濾波電路將電流檢測信號vin送入運(yùn)算放大器的正向輸入端(op+)，運(yùn)放輸出：vop=（1+r6/r5）vin （2）這里要求運(yùn)放的放大倍數(shù)至少為10，運(yùn)放才能取得比較好的放大效果。一般取r6=10r

16、5。電流檢測信號經(jīng)運(yùn)放放大后輸入通用比較器的正向輸入端，通用比較器的負(fù)向輸入端外接一個參考電壓，當(dāng)比較器的正向輸入電壓小于負(fù)向輸入電壓時(shí)，比較器輸出為低電平，比較器輸出與芯片的/sd引腳相連，/sd為低電平有效，此時(shí)為非過流狀態(tài)，2ed020i12-f正常工作；當(dāng)比較器的正向輸入電壓大于負(fù)向輸入電壓時(shí)，比較器輸出為高電平，/sd無效，2ed020i12-f芯片啟動內(nèi)部保護(hù)功能，封鎖輸出脈沖，outh和outl端口均無驅(qū)動信號輸出，上下橋臂igbt均關(guān)斷，變頻調(diào)速系統(tǒng)停機(jī)不工作，從而起到保護(hù)的效果。3.3 負(fù)壓電路在大功率igbt的驅(qū)動場合，驅(qū)動芯片各路電源相互獨(dú)立，集成驅(qū)動芯片一般都有產(chǎn)生負(fù)壓

17、的功能，即在igbt關(guān)斷時(shí)在igbt的柵極加負(fù)電壓，一般為-5v或-8v。作用是為了增強(qiáng)igbt關(guān)斷的可靠性，防止由于密勒效應(yīng)而造成的igbt誤導(dǎo)通。2ed020i12-f驅(qū)動芯片本身并不具備產(chǎn)生負(fù)壓的功能，但是可以通過幾個簡單的無源器件構(gòu)成一個產(chǎn)生負(fù)壓的電路。如圖2所示，在上下橋臂的驅(qū)動電路中加上一個由電容和5v穩(wěn)壓管并聯(lián)組成的負(fù)壓電路。工作原理為，電源電壓為18v，電源通過電阻r7給電容c6充電，電容c6兩端電壓為+5v。當(dāng)inl輸入為高電平時(shí)，outl輸出為高電壓18v，這時(shí)加在下橋臂q2柵極上的電壓為18v-5v=13v，igbt正常道通。當(dāng)inl輸入為低電平時(shí)，outl輸出為0v，此

18、時(shí)柵極上的電壓為5v，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓。同理對于上橋臂，當(dāng)inh為高電平時(shí)，outh輸出為18v，加在q1柵極上的電壓為13v；當(dāng)inh為低電平時(shí)，outh輸出為0v，q1柵極電壓為-5v。由于igbt為電壓型驅(qū)動器件，所以電容c5、c6上的電壓波動較小，基本維持在5v不變，自舉電容上的電壓也維持在18v，只有在下橋臂q2導(dǎo)通的瞬間有一個很短暫的充電過程，電容c5的沖充電過程也在此時(shí)完成。這里電容c5、c6一般要大于igbt柵極的柵極輸入的寄生電容。此負(fù)壓電路與一般帶負(fù)壓的驅(qū)動芯片產(chǎn)生負(fù)壓的原理相同，直流母線上會疊加5v的直流電壓。3.4 其它抗干擾措施在inh、inl、/sd引腳信號輸入

19、端分別各接一個680pf的旁路電容，電容里驅(qū)動芯片要盡量近，這樣可以有效的去處輸入信號中的干擾。通過合理布線、降低器件安裝高度等減小寄生參數(shù)，采用增加自舉電容、給自舉二極管串接一個電阻等方式改善局部退耦，可以減小gndh腳瞬間負(fù)偏壓。圖3 2ed020i12-f驅(qū)動芯片輸出pwm信號圖4 帶負(fù)載時(shí)變頻電源輸出波形圖4 應(yīng)用示例在小功率逆變電源的設(shè)計(jì)中，用2ed020i12-f驅(qū)動芯片組成逆變橋igbt的驅(qū)動電路。當(dāng)逆變電源開始工作時(shí)，如圖3所示為驅(qū)動芯片輸出的pwm信號，圖4為變頻電源輸出波形（為測量方便，這里取變頻電源輸出電壓實(shí)際值的1/4）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)輸入電壓幅值在330v480v變化時(shí)，負(fù)載由08a變化的各種情況下，輸出電壓為vo=220v，誤差保持在5%內(nèi)。由以上波形可以看出，