IGBT高壓大功率驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的應(yīng)用解析

1、IGBT 高壓大功率驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的應(yīng)用解析引言IGBT 在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用。IGBT 集雙極型功率晶體管和功率 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，IGBT 和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開(kāi)關(guān)環(huán)境。因此，IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個(gè)裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為解決 IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題， 國(guó)外各 IGBT生產(chǎn)廠家或從事 IGBT應(yīng)用的企業(yè)開(kāi)發(fā)出了眾多的 IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路或模塊， 如國(guó)內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的 EXB8

2、 系列， 三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的 M579 系列，美國(guó) IR 公司生產(chǎn)的 IR21 系列等。但是，EXB8 系列、M579 系列和 IR21 系列沒(méi)有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的 HCLP-316J 有過(guò)流保護(hù)、 欠壓保護(hù)和 1GBT 軟關(guān)斷的功能， 且價(jià)格相對(duì)便宜， 因此， 本文將對(duì)其進(jìn)行研究， 并給出 1700V,200300AIGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。1、IGBT 的工作特性IGBT 是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓 UGE 來(lái)控制的，當(dāng) UGE 大于開(kāi)啟電壓 U

3、GE(th)時(shí) IGBT 導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí)，IGBT被關(guān)斷。IGBT 與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)電路中主要研究 IGBT 的飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開(kāi)通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。2、IGBT 驅(qū)動(dòng)電路要求在設(shè)計(jì) IGBT 驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。1 ）柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，.IGBT 的導(dǎo)通電阻下降，使開(kāi)通損耗減小；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流 IC 隨UGE 增大而增大，可能使 IGBT 出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門(mén)控失效，從而造

4、成 IGBT 的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)小會(huì)使 IGBT 退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT 過(guò)熱損壞；使用中選 12VWUGES18V 為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使 IGBT 誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選一 5V 為宜。另外，IGBT 開(kāi)通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使 IGBT 在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。2）IGBT 快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下 IGBT的開(kāi)關(guān)頻率不宜過(guò)大，因?yàn)楦咚匍_(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成 IGBT 或其他元器件被擊穿。3）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻 RG

5、和柵射電容 CG 對(duì) IGBT 的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG 較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開(kāi)通瞬間電流較大，從而損壞 IGBT;RG 較大，有利于抑制 dvce/dt,但會(huì)增加 IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。合適的 CG 有利于抑制 dic/dt,CG 太大，開(kāi)通時(shí)間延時(shí)，CG 太小對(duì)抑制 dic/dt 效果不明顯。4）當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受 IGBT 和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。3、H

6、CPL-316J 驅(qū)動(dòng)電路3.1HCPL-316J 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理SIHCPL-316J 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示V.V*VVutn-VcciDESATGNDVLTIRESETVsFAUUTVturrVutci-VurV”皿.Vir國(guó)2HCPL316J外部引腳圖其外部引腳如圖 2 所示從圖 1 可以看出，HCPL-316J 可分為輸入 IC(左邊)和輸出 IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率 IGBT 驅(qū)動(dòng)的要求。各引腳功能如下：腳 1(VIN+)正向信號(hào)輸入；腳 2(VIN-)反向信號(hào)輸入；腳 3(VCG1)接輸入電源；腳 4(GND)輸入端的地；腳 5(RESERT)

7、芯片復(fù)位輸入端；腳 6(FAULT)故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或 IGBT 短路)時(shí)，通過(guò)光耦輸出故障信號(hào)；腳 7(VLED1+)光耦測(cè)試引腳，懸掛;腳 8(VLED1-)接地；腳 9,腳 10(VEE)給 IGBT 提供反向偏置電壓；腳 11(VOUT)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng) IGBT;腳 12(VC)三級(jí)達(dá)林頓管集電極電源；腳 13(VCC2)驅(qū)動(dòng)電壓源；腳 14(DESAT)IGBT 短路電流檢測(cè)；腳 15(VLED2+)光耦測(cè)試引腳，懸掛；腳 16(VE)輸出基準(zhǔn)地。其工作原理如圖 1 所示。若 VIN+正常輸入，腳 14 沒(méi)有過(guò)流信號(hào)，且 VCC2-VE=12v 即輸出正向驅(qū)

8、動(dòng)電壓正常，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出高電平，故障信號(hào)和欠壓信號(hào)輸出低電平。首先 3 路信號(hào)共同輸入到 JP3,D 點(diǎn)低電平，B 點(diǎn)也為低電平，50XDMOS 處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí) JP1 的輸入的 4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A 點(diǎn)高電平，驅(qū)動(dòng)三級(jí)達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT 也隨之開(kāi)通。若 IGBT 出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)(腳 14 檢測(cè)到 IGBT 集電極上電壓=7V),而輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼續(xù)加在腳 1,欠壓信號(hào)為低電平，B 點(diǎn)輸出低電平，三級(jí)達(dá)林頓管被關(guān)斷，1XDMOS 導(dǎo)通，IGBT 柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng) VOUT=2V 時(shí)，即 VOUT 輸出低電平，C 點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，B 點(diǎn)為高電平，5

9、0XDMOS 導(dǎo)通，IGBT 柵射集迅速放電。故障線上信號(hào)通過(guò)光耦，再經(jīng)過(guò) RS 觸發(fā)器，Q 輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過(guò)流的情況。3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)inMOM海&仲“驅(qū)動(dòng)電路及參數(shù)如圖 3 所示。HCPL-316J 左邊的 VIN+,FAULT 和 RESET 分別與微機(jī)相連。R7,R8,R9,D5,D6 和 C12 起輸入保護(hù)作用，防止過(guò)高的輸入電壓損壞 IGBT,但是保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生約 1g 延時(shí)，在開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 100kHz 時(shí)不適合使用。Q3 最主要起互鎖作用，當(dāng)兩路 PWM 信號(hào)（同一橋臂）都為高電平時(shí)，Q3 導(dǎo)通，把輸入電平拉低，使輸

10、出端也為低電平。圖 3 中的互鎖信號(hào) Interlock,和 Interlock2 分別與另外一個(gè) 316JInterlock2 和 Interlock1 相連。 R1 和 C2 起到了對(duì)故障信號(hào)的放大和濾波，當(dāng)有干擾信號(hào)后，能讓微機(jī)正確接受信息。71n在輸出端，R5 和 C7 關(guān)系到 IGBT 開(kāi)通的快慢和開(kāi)關(guān)損耗，增加 C7 可以明顯地減小 dic/dt。首先計(jì)算柵極電阻：其中 ION 為開(kāi)通時(shí)注入 IGBT 的柵極電流。為使 IGBT 迅速開(kāi)通，設(shè)計(jì)，IONMAX 值為 20A。輸出低電平 VOL=2v?？傻肎xU/1= =IOOIOOP PFxFx（7-2xO.67-2xO.6）V/2

11、50V/250|JLA=2.32PrSo=2.32PrSoC3 是一個(gè)非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時(shí)作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，芯片開(kāi)始工作時(shí)，由于IGBT 的集電極 C 端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 7V,若沒(méi)有 03,則會(huì)錯(cuò)誤地發(fā)出短路故障信號(hào)， 使輸出直接關(guān)斷。 當(dāng)芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復(fù)正常，若沒(méi)有03,則也會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號(hào)，使 IGBT 誤關(guān)斷。但是，03 的取值過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，而且在飽和情況下，也可能使 IGBT 在延時(shí)時(shí)間內(nèi)就被燒壞，起不到正確的保護(hù)作用，03 取值 100pF,其延時(shí)時(shí)間在集電極檢測(cè)電路用兩個(gè)二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅(qū)

12、動(dòng)電壓等級(jí)，但二極管的反向恢復(fù)時(shí)間要很小，且每個(gè)反向耐壓等級(jí)要為 1000V,一般選取 BYV261E,反向恢復(fù)時(shí)間 75ns。R4 和 C5 的作用是保留 HCLP-316J 出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是 C5 通過(guò)內(nèi)部 MOSFET 的放電來(lái)實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。圖 3 中輸出電壓 VOUT 經(jīng)過(guò)兩個(gè)快速三極管推挽輸出，使驅(qū)動(dòng)電流最大能達(dá)到 20A,能夠快速驅(qū)動(dòng) 1700V、200-300A 的 IGBT。3.3 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定的電源是 IGBT 能否正常工作的保證。如圖 4 所示。電源采用正激變換，抗干擾能力較強(qiáng)，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負(fù)載情況下電源輸出電

13、壓仍然比較穩(wěn)定。當(dāng) s 開(kāi)通時(shí)，+12v(為比較穩(wěn)定的電源，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和 S 相連的繞組，通過(guò)能量耦合使副邊經(jīng)過(guò)整流輸出。當(dāng) S 關(guān)斷時(shí)，通過(guò)原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源，實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位。555 定時(shí)器接成多諧振蕩器，通過(guò)對(duì) C1 的充放電使腳 2 和腳 6 的電位在 48V 之間變換，使腳 3 輸出電壓方波信號(hào)，并用方波信號(hào)來(lái)控制 S的開(kāi)通和關(guān)斷。+12v 經(jīng)過(guò) R1,D2 給 C1 充電，其充電時(shí)間 t1R1C21n2;放電時(shí)間 t2=R2C1ln2,充電時(shí)輸出高電平，放電時(shí)輸出低電平。所以占空比=t1/(t1+t2)。變壓器按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：原邊接+12v,頻率為 60kHz,工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bw 為 O.15T,副邊+15v 輸出 2A,-5V 輸出 1A,效率 n=80%,窗口填充系數(shù) Km 為 0.5,磁芯填充系數(shù) Kc 為 1,線圈導(dǎo)線電流密度 d 為 3A/mm2。則輸出功率：PT=(15+O.6)X2X2+(5+O.6)X1X2=64W。變壓器磁芯參數(shù)Ar=AfxAu-Prx10s/(2rifBvdkkc)64xl(X7(2x0.8x60 xIO5xJ500 x3xO.5x1)=0.30cm3所以，.選擇EE家列的E25磁芯，并可查到4=0.445