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

發(fā)布時(shí)間:2010-11-03

中心議題:

  • 功率器件IGBT的工作特性分析
  • 驅(qū)動(dòng)要求、保護(hù)方法
  • 對(duì)兩個(gè)IGBT(同一橋臂)的互鎖

驅(qū)動(dòng)高壓大功率IGBT的解決方案:

  • 可驅(qū)動(dòng)高壓大功率IGBT的集成驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-3I6J


摘 要:通過(guò)對(duì)功率器件IGBT的工作特性分析、驅(qū)動(dòng)要求和保護(hù)方法等討論,介紹了的一種可驅(qū)動(dòng)高壓大功率IGBT的集成驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-3I6J的應(yīng)用

關(guān)鍵詞:IGBT;驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路;電源

0 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一316J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,200~300A IGBT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UGE(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??;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12V≤UGE≤18V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。
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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 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路
 
3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,其外部引腳如圖2所示。

HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

HCPL-316J外部引腳圖

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)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)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,50×DMOS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,1×DMOS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,50×DMOS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。
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3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路及參數(shù)如圖3所示。

HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路 

HCPL-316J左邊的 VIN+,F(xiàn)AULT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1µs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)316J Interlock2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。
 
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。可得

公式

C3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C3,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C3,則也會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號(hào),使IGBT誤關(guān)斷。但是,C3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, C3取值100pF,其延時(shí)時(shí)間

延遲時(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)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75 ns。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壓仍然比較穩(wěn)定。

555正激驅(qū)動(dòng)電源

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4~8v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t1≈R1C2ln2;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)。
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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1 A,效率n=80%,窗口填充系數(shù)Km為O.5,磁芯填充系數(shù)Kc為1,線圈導(dǎo)線電流密度d為3 A/mm2。則輸出功率

PT=(15+O.6)×2×2+(5+O.6)×1×2=64W。

變壓器磁芯參數(shù)

變壓器磁芯參數(shù)

由于帶載后驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓會(huì)有所下降,所以,在實(shí)際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。
 
4 結(jié)語(yǔ)
 

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可驅(qū)動(dòng)l700v,200~300A的IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)IGBT(同一橋臂)的互鎖,并設(shè)計(jì)了可以直接給兩個(gè)IGBT供電的驅(qū)動(dòng)電源。

 

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