三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動(dòng)電路的分析

1、三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動(dòng)電路的分析轉(zhuǎn)貼三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動(dòng)電路的分析、尸、亠刖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，為了給高電壓使用環(huán)境提供一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。在IGBT中，用一個(gè)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)生了一種具有功率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。在中小功率、低噪音和高性能的電源、逆變器、不間斷電源（UPS）和交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它

2、是目前最為常見的一種器件。功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅(qū)動(dòng)電路也在不斷地發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多專用的驅(qū)動(dòng)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(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)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為一典型的IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖。因?yàn)镮GBT柵極發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)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MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。VV分$V圖1典型的l（；BTW極瓠動(dòng)電路對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的

3、一般要求23:1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓IGBT開通時(shí)，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。在任何情況下，開通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)該在1220V之間。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個(gè)反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在515V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(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值

4、較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。所以,較小的柵極電阻增強(qiáng)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(shí)，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極-發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。3）柵極驅(qū)動(dòng)功率IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)、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：g=±（At電孫平均功率仏為；Ph*.=!fXKf9在本文中，我們將對(duì)幾種最新的用于IGBT驅(qū)動(dòng)的集成電路做一個(gè)詳細(xì)的介紹，討論其使用方法和優(yōu)缺點(diǎn)及使用過程中應(yīng)注意的問題。2幾種用于IGBT驅(qū)動(dòng)的

5、集成芯片2.1TLP250（TOSHIBA公司生產(chǎn)）在一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(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償?shù)取Ｍ瑫r(shí)，這一檢測結(jié)果也可以用來完成對(duì)逆變單元中IGBT實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)等功能。因此在這種逆變器中，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求相對(duì)比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅(qū)動(dòng)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(duì)TLP250做一介紹。TLP250包含一個(gè)GaAIAs光發(fā)射二極管和一個(gè)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(dòng)電路。圖2為TLP2

6、50的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖，表1給出了其工作時(shí)的真值表。嶷ITI.P3WH作時(shí)的鳶伯餐THW箱人逋通斯11：1>愉斷迪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（IO）:±）.5A（最?。?；5）開關(guān)時(shí)間（tPLH/tPHL）:0.5卩S最大）；6）隔離電壓：2500Vpms（最?。１?給出了TLP250的開關(guān)特性，表3給出了TLP250的推薦工作條件。川：frJM小td斟i<kHi翥ftiiil<-5m*遲時(shí)聞爲(wèi)一0(tHl,=U5.輸出(FFajmi(-

7、/l*ii=15輸；i；卜歸盯間r/.-24M)n'l.MHI罰惹輸出吋H:LMil/>=Shi一5(MNPiP'ti-=加八*?251：1.v=.iK蠱輸出時(shí)RfMli.-(mA<fMUk料*._>IHRpT.-h仁ftwU匕和前掩轉(zhuǎn)工件條怦即；呼侍皿小I'.'LWitlliii心HiJiIPI7Itt輸iUUX；WthV()o.s電抵電幾L15IQ20*fH'll/-1k-一HD.5if沖唱1L2<J2570K5注：使用TLP250時(shí)應(yīng)在管腳8和5間連接一個(gè)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(huì)損

8、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的兩種典型的使用電路。2_T1P2MVtfe留3卻于龍位I2VQ/5HAii.FIXI1T的#局itrT.P?50H*出4円，袖WI丄聞I50刃上H.tH的嚴(yán)卅在圖4中，TR1和TR2的選取和用于IGBT驅(qū)動(dòng)的柵極電阻有直接的關(guān)系，例如，電源電壓為24V時(shí)，TR1和TR2的Icmax>24/Rg圖5給出了TLP250驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，1200V/200A的IGBT上電流的實(shí)驗(yàn)波形（50A/10S。可以看出，由于TLP250不具備過流保護(hù)功能，當(dāng)IGBT過流時(shí)，通過控制信號(hào)關(guān)斷IGBT,IGBT中電流的下降很陡，

9、且有一個(gè)反向的沖擊。這將會(huì)產(chǎn)生很大的di/dt和開關(guān)損耗，而且對(duì)控制電路的過流保護(hù)功能要求很高。-Jj:1i1'N.:_.i.1【1丨從4L*iLL_1lbini1"T出5詩!（；HT聆電TLP250使用特點(diǎn)：1）TLP250輸出電流較小，對(duì)較大功率IGBT實(shí)施驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要外加功率放大電路。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的電流，這就有可能對(duì)于IGBT的使用效率產(chǎn)生一定的影響，比如IGBT在安全工作區(qū)時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)的提前保護(hù)等。3）要求控制電路和檢測電路對(duì)于電流信號(hào)的響應(yīng)要快，一般由過電流發(fā)生到IGBT可靠關(guān)斷應(yīng)在10s以內(nèi)完成。4

10、）當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，TLP250得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號(hào)，對(duì)IGBT的柵極施加一負(fù)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兩端的電壓升高很多，有時(shí)就可能造成IGBT的擊穿。別問我是誰積分：9755發(fā)表：1631回復(fù)：1343等級(jí)：中級(jí)工程師查看我的博客發(fā)表時(shí)間：2008-2-2014:20:41引用|加為好友|發(fā)短消息第1樓2.2EXB8.Series（FUJIELECTRIC公司生產(chǎn)）隨著有些電氣設(shè)備對(duì)三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身的原因，在現(xiàn)有的許多逆變器中，把逆變單元IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)和主電路電流的檢測分別由不同的電路來完成。

11、這種驅(qū)動(dòng)方式既提高了逆變器的性能，又提高了IGBT的工作效率，使IGBT更好地在安全工作區(qū)工作。這類芯片有富士公司的EXB8.Series、夏普公司的PC929等。在這里，我們主要針對(duì)EXB8.Series做一介紹。EXB8.Series集成芯片是一種專用于IGBT的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。具有以下的特點(diǎn):1）不同的系列（標(biāo)準(zhǔn)系列可用于達(dá)到10kHz開關(guān)頻率工作的IGBT,高速系列可用于達(dá)到40kHz開關(guān)頻率工作的IGBT）。2）內(nèi)置的光耦可隔離高達(dá)2500V/min的電壓。3）單電源的供電電

12、壓使其使用起來更為方便。4）內(nèi)置的過流保護(hù)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(hào)。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。其主要使用場合如表4所示。W4八朋.Srnr，的主要應(yīng)用tfi合ICEHVIGBTT的稿功1200VtGin的鼻弟150«400AAJ4X)標(biāo)冑霰叫烏盹f*1JFXIiSSOIXHS40EXB831FXR841EXB85OEXHK40hAHX5IEXH84J注：1）標(biāo)準(zhǔn)系列：驅(qū)動(dòng)電路中的信號(hào)延遲<4s2）高速系列：驅(qū)動(dòng)電

13、路中的信號(hào)延遲<1.5us圖6給出了EXB8.Series的功能方框圖。KXHMILH4I圖6卜：幗"、對(duì)*：二擴(kuò)機(jī)國表5給出了EXB8.Series的電氣特性。*5KXB8.Srriz的電T特性n*j/tk和>XHSJOFXHS41EXHXD.KXBSSl昆奧X兩ROWT值丨gjINIIft丨愜ffit表6給出了EXB8.Series工作時(shí)的推薦工作條件。表6EXB8.Series工作時(shí)的推薦工作條件ftbFAUH"ti工作時(shí)的報(bào)特工件舉祥理I哥號(hào)/飆位卜、HN5OJH邸IEXt|g4DF：XI謂41碗也fi/V20±15oTTioTi£&

14、#187;±I殖電訛人""*I咅M1燈圖7給出了EXB8.Series的典型使用電路。fr叔碰粘電針典v和理土.v“vFRAU-lO陽了FAUXF心妁熬蟄丘禺電妙EXB8.Series使用不同的型號(hào)，可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)400A，電壓高達(dá)1200V的各種型號(hào)的IGBT。由于驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)延遲時(shí)間分為兩種：標(biāo)準(zhǔn)型(EXB850、EXB851)<4g,s高速型(EXB840、EXB841)<1卩s所以標(biāo)準(zhǔn)型的IC適用于頻率高達(dá)10kHz的開關(guān)操作，而高速型的IC適用于頻率高達(dá)40kHz的開關(guān)操作。在使用電路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：IGBT柵射極

15、驅(qū)動(dòng)電路接線必須小于1m;IGBT柵射極驅(qū)動(dòng)電路接線應(yīng)為雙絞線；如想在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；使用電路中的電容C1和C2取值相同，對(duì)于EXB850和EXB840來說，取值為33",對(duì)于EXB851和EXB841來說，取值為47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(diǎn)：1) EXB8.Series的驅(qū)動(dòng)芯片是通過檢測IGBT在導(dǎo)通過程中的飽和壓降Uce來實(shí)施對(duì)IGBT的過電流保護(hù)的。對(duì)于IGBT的過電流處理完全由驅(qū)動(dòng)芯片自身完成，對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)用的三相逆變器實(shí)現(xiàn)無跳閘控制有

16、較大的幫助。2) EXB8.Series的驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)IGBT過電流保護(hù)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(shí)小了許多，這對(duì)IGBT的使用較為有利，是值得重視的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。3) EXB8.Series驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)集成了功率放大電路，這在一定程度上提高了驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力。4) EXB8.Series的驅(qū)動(dòng)芯片最大只能驅(qū)動(dòng)1200V/300A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大電路，另外，從圖7中可以看出，該類芯片為單電源供電，IGBT的關(guān)斷負(fù)電壓信號(hào)是由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的5V信號(hào)，容易受到外部的干擾。因此對(duì)于300A以上的IGBT或者IGBT并聯(lián)時(shí)，就需要考慮別的驅(qū)動(dòng)芯片，比如

17、三菱公司的M57962L等。圖8給出了EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，過電流情況下的實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥闯觯缜懊娼榻B過的，由于EXB8.Series芯片內(nèi)部具備過流保護(hù)功能，當(dāng)IGBT過流時(shí)，采用了軟關(guān)斷方式關(guān)斷IGBT，所以IGBT中電流是一個(gè)較緩的斜坡下降，這樣一來，IGBT關(guān)斷時(shí)的di/dt明顯減少，這在一定程度上減小了對(duì)控制電路的過流保護(hù)性能的要求。AR4AR45）an易i.州建剁ih）耐9I椚嵐劈aiKFXWMI裁對(duì)陽IfT井疋電浪北國下濫It誡測2.3M579.Series（MITSUBISHI公司生產(chǎn)）M579.Series是日本三菱公司為IGBT驅(qū)動(dòng)提供的一種IC系列，表7給出了這

18、種系列的幾種芯片的基本使用特性（其中有決者為芯片內(nèi)部含有Booster電路）。在M579.Series中，以M57962L為例做出一般的解釋。隨著逆變器功率的增大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)關(guān)斷IGBT時(shí)的負(fù)電壓，M57962L的負(fù)電源是外加的（這點(diǎn)和EXB8.Series不同），所以實(shí)現(xiàn)起來比較方便。它的功能框圖和圖6所示的EXB8.Series功能框圖極為類似，在此不再贅述。圖9給出了M57962L在驅(qū)動(dòng)大功率IGBT模塊時(shí)的典型電路圖。在這種電路中，NPN和PNP構(gòu)成的電壓提升電路選用快速晶體管（tf<200ns,并且要有足夠的電流

19、增益以承載需要的電流衷7jrir的墓本應(yīng)用特性滬r9,護(hù)電酢優(yōu)化應(yīng)用范圈馳UF的1GH112(10VU卜的l(；HTTMSW7I-2尤J00«50M5793XI5JCW400M57WI.棄<100M5796215fjW400也的M57958F/20無瑤600<1000M579621/20«、W600至1000勺“M丸巧*ll；HT糧陀時(shí)的棒也此叢上在使用M57962L驅(qū)動(dòng)大功率IGBT模塊時(shí)，應(yīng)注意以下三個(gè)方面的問題：1）驅(qū)動(dòng)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(duì)于M57962L來說，Rg的允許值在5Q左右，這個(gè)值對(duì)于大功率的IGBT來說高了一些，且當(dāng)Rg較高時(shí)，會(huì)引起IGBT的開關(guān)上升時(shí)