- IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求
- IGBT驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)
- 觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度
- 柵極串連電阻Rg要恰當(dāng)
- 柵射電壓要適當(dāng)
IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求
(1)觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度,即脈沖前后沿要陡峭;
(2)柵極串連電阻Rg要恰當(dāng)。Rg過(guò)小,關(guān)斷時(shí)間過(guò)短,關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高;Rg過(guò)大,器件的開(kāi)關(guān)速度降低,開(kāi)關(guān)損耗增大;
(3)柵射電壓要適當(dāng)。增大柵射正偏壓對(duì)減小開(kāi)通損耗和導(dǎo)通損耗有利,但也會(huì)使管子承受短路電流的時(shí)間變短,續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)電壓增大。因此,正偏壓要適當(dāng),通常為+15V。為了保證在C-E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)可靠關(guān)斷,關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓,以防止受到干擾時(shí)誤開(kāi)通和加快關(guān)斷速度,減小關(guān)斷損耗,幅值一般為-(5~10)V;
(4)當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí),能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流,實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。
當(dāng)然驅(qū)動(dòng)電路還要注意像防止門(mén)極過(guò)壓等其他一些問(wèn)題。日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負(fù)偏壓、過(guò)流檢測(cè)、保護(hù)、軟關(guān)斷等主要特性,是一種比較典型的驅(qū)動(dòng)電路。其功能比較完善,在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛。
驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的控制原理
圖1為EXB841的驅(qū)動(dòng)原理。其主要有三個(gè)工作過(guò)程:正常開(kāi)通過(guò)程、正常關(guān)斷過(guò)程和過(guò)流保護(hù)動(dòng)作過(guò)程。14和15兩腳間外加PWM控制信號(hào),當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)施加于14和15引腳時(shí),在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開(kāi)通電壓;當(dāng)觸發(fā)控制脈沖撤銷(xiāo)時(shí),在GE兩端產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過(guò)流保護(hù)動(dòng)作過(guò)程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過(guò)流而進(jìn)行保護(hù)的,Uce由二極管Vd7檢測(cè)。當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí),若發(fā)生負(fù)載短路等發(fā)生大電流的故障,Uce會(huì)上升很多,使得Vd7截止,EXB841的6腳“懸空”,B點(diǎn)和C點(diǎn)電位開(kāi)始由約6V上升,當(dāng)上升至13V時(shí),Vz1被擊穿,V3導(dǎo)通,C4通過(guò)R7和V3放電,E點(diǎn)的電壓逐漸下降,V6導(dǎo)通,從而使IGBT的GE間電壓Uce下降,實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷,完成EXB841對(duì)IGBT的保護(hù)。射極電位為-5.1V,由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vz2決定。
圖1EXB841的工作原理[page]
作為IGBT的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片,EXB841有著很多優(yōu)點(diǎn),能夠滿(mǎn)足一般用戶(hù)的要求。但在大功率高壓高頻脈沖電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中,其不足之處也顯而易見(jiàn)。
(1)過(guò)流保護(hù)閾值過(guò)高。通常IGBT在通過(guò)額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降Uce約為3.5V,而EXB841的過(guò)流識(shí)別值為7.5V左右,對(duì)應(yīng)電流為額定電流的2~3倍,此時(shí)IGBT已嚴(yán)重過(guò)流。
(2)存在虛假過(guò)流。一般大功率IGBT的導(dǎo)通時(shí)間約為1µs左右。實(shí)際上,IGBT導(dǎo)通時(shí)尾部電壓下降是較慢的。實(shí)踐表明,當(dāng)工作電壓較高時(shí),Uce下降至飽和導(dǎo)通時(shí)間約為4~5µs,而過(guò)流檢測(cè)的延遲時(shí)間約為2.7µs.因此,在IGBT開(kāi)通過(guò)程中易出現(xiàn)虛假過(guò)流。為了識(shí)別真假過(guò)流,5腳的過(guò)流故障輸出信號(hào)應(yīng)延遲5µs,以便保護(hù)電路對(duì)真正的過(guò)流進(jìn)行保護(hù)。
(3)負(fù)偏壓不足。EXB841使用單一的20V電源產(chǎn)生+15V和-5V偏壓。在高電壓大電流條件下,開(kāi)關(guān)管通斷會(huì)產(chǎn)生干擾,使截止的IGBT誤導(dǎo)通。
(4)過(guò)流保護(hù)無(wú)自鎖功能。在過(guò)流保護(hù)時(shí),EXB841對(duì)IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷,并在5腳輸出故障指示信號(hào),但不能封鎖輸入的PWM控制信號(hào)。
(5)無(wú)報(bào)警電路。在系統(tǒng)應(yīng)用中,IGBT發(fā)生故障時(shí),不能顯示故障信息,不便于操作。
針對(duì)以上不足,可以考慮采取一些有效的措施來(lái)解決這些問(wèn)題。以下結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用的具體電路加以說(shuō)明。
驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)
本文基于EXB841設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,包括外部負(fù)柵壓成型電路、過(guò)流檢測(cè)電路、虛假過(guò)流故障識(shí)別與驅(qū)動(dòng)信號(hào)鎖存電路,故障信息報(bào)警電路。
⑴外部負(fù)柵壓成型電路
針對(duì)負(fù)偏壓不足的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了外部負(fù)柵壓成型電路。
如圖2所示,用外接8V穩(wěn)壓管Vw1代替驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓管Vz2,在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)了兩個(gè)電容值分別為105µf和0.33µf的去耦濾波電容。為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰,在柵射極間并聯(lián)了反向串聯(lián)的16V(V02)和8V(V03)穩(wěn)壓二極管。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩,減小IGBT集電極的電壓尖脈沖,需要在柵極串聯(lián)電阻Rg。柵極串連電阻Rg要恰當(dāng),Rg過(guò)小,關(guān)斷時(shí)間過(guò)短,關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高;Rg過(guò)大,器件的開(kāi)關(guān)速度降低,開(kāi)關(guān)損耗增大。優(yōu)化電路采用了不對(duì)稱(chēng)的開(kāi)啟和關(guān)斷方法。在IGBT開(kāi)通時(shí),EXB841的3腳提供+16V的電壓,電阻Rg2經(jīng)二極管Vd1和Rg1并聯(lián)使Rg值較小。關(guān)斷時(shí),EXB841內(nèi)部的V5導(dǎo)通,3腳電平為0,優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路在IGBT的E極提供-8V電壓,使二極管V01截止,Rg=Rg1具有較大值。并在柵射極間并聯(lián)大電阻,防止器件誤導(dǎo)通。