電力電子應(yīng)用技術(shù)_第十講驅(qū)動(dòng)及保護(hù)

1、第第10講講 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù) 驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路概述 晶閘管與晶閘管與IGCT驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) MOSFET與與IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)應(yīng)用 半導(dǎo)體器件應(yīng)用中的保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件應(yīng)用中的保護(hù)技術(shù)驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路是連系控制信號(hào)與功率信號(hào)的橋驅(qū)動(dòng)電路是連系控制信號(hào)與功率信號(hào)的橋梁，是控制電路與主電路的接口。要充分發(fā)揮梁，是控制電路與主電路的接口。要充分發(fā)揮功率器件的優(yōu)良性能，就必須了解驅(qū)動(dòng)電路的功率器件的優(yōu)良性能，就必須了解驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)。特點(diǎn)。 驅(qū)動(dòng)電路與功率器件一起工作，成為弱電驅(qū)動(dòng)電路與功率器件一起工作，成為弱電控制強(qiáng)

2、電的關(guān)鍵?？刂茝?qiáng)電的關(guān)鍵。 一般驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)：一般驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)： 電氣隔離電氣隔離 驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)功率 檢測(cè)保護(hù)檢測(cè)保護(hù) 故障反饋故障反饋1. 集成度與可靠性集成度與可靠性驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路概述常用的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物展示：常用的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物展示： 驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路與功率器件連接展示：驅(qū)動(dòng)電路與功率器件連接展示： 驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路基本原理：驅(qū)動(dòng)電路基本原理：按照控制信號(hào)到功率器件門控極的按照控制信號(hào)到功率器件門控極的連接連接方式方式分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路概述直接驅(qū)動(dòng)法光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)方式變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電

3、路概述晶閘管與晶閘管與IGCT同屬于閘流管類；同屬于閘流管類；IGBT和和MOSFET屬于晶體管類。屬于晶體管類。 晶閘管與晶閘管與IGCT驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 晶閘管驅(qū)動(dòng)晶閘管驅(qū)動(dòng)門極觸發(fā)電路要求：門極觸發(fā)電路要求： 保證脈沖寬度保證脈沖寬度 保證脈沖幅度和陡度保證脈沖幅度和陡度 保證脈沖功率保證脈沖功率 晶閘管與晶閘管與IGCT驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)MOS與與IGBT是門控電壓型器件，工作頻率是門控電壓型器件，工作頻率相對(duì)較高。驅(qū)動(dòng)電路功率要求較低，頻率要相對(duì)較高。驅(qū)動(dòng)電路功率要求較低，頻率要求較高。求較高。對(duì)于小功率低壓的對(duì)于小功率低壓的MOSFET，一般可以直接，一般可以直接驅(qū)動(dòng)或者通過(guò)帶自舉電

4、路的供電方式進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)或者通過(guò)帶自舉電路的供電方式進(jìn)行電壓隔離工作壓隔離工作對(duì)于中大功率高壓對(duì)于中大功率高壓IGBT，一般采用電磁或，一般采用電磁或光電隔離的驅(qū)動(dòng)方式工作光電隔離的驅(qū)動(dòng)方式工作 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路要求：驅(qū)動(dòng)電路要求：開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí), 提供足夠大電流使提供足夠大電流使MOSFET柵源極柵源極電壓迅速上升電壓迅速上升,保證開(kāi)關(guān)管快速開(kāi)通且不存在上升沿高保證開(kāi)關(guān)管快速開(kāi)通且不存在上升沿高頻振蕩頻振蕩; 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間保證開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定柵源極間電壓保持穩(wěn)定關(guān)斷瞬間能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供關(guān)

5、斷瞬間能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷 1.關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)MOSFET驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)常用的常用的MOS驅(qū)動(dòng)器：驅(qū)動(dòng)器：IR2110 自舉隔離自舉隔離IXDD404 相同兩路相同兩路TC428 互補(bǔ)兩路互補(bǔ)兩路 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)IR2110典型連接電路典型連接電路基本原理框圖基本原理框圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)I

6、XDD404原理框圖原理框圖短路試驗(yàn)連接圖短路試驗(yàn)連接圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)TC428基本原理框圖基本原理框圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) IGBT驅(qū)動(dòng)電路要求：驅(qū)動(dòng)電路要求： 采用采用正負(fù)值正負(fù)值驅(qū)動(dòng)電壓向柵源極供電，保證驅(qū)動(dòng)電壓向柵源極供電，保證開(kāi)關(guān)管可靠開(kāi)通和關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管可靠開(kāi)通和關(guān)斷。 降低驅(qū)動(dòng)電路阻抗，以提高柵極充電放電降低驅(qū)動(dòng)電路阻抗，以提高柵極充電放電速度，從而提高逆變主回路和控制電路的速度，從而提高逆變主回路和控制電路的開(kāi)關(guān)速度。開(kāi)關(guān)速度。1. 保證主電路與控制電路隔離。具有較強(qiáng)的保證主電路與控制電路隔離。具有較強(qiáng)的抗干擾能力。抗干擾能力。

7、IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 常用常用IGBT驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器 M57962L 、EXB841 單路驅(qū)動(dòng)厚膜電路單路驅(qū)動(dòng)厚膜電路2. 2SD315、SKHI22AH4兩路驅(qū)動(dòng)集成模塊兩路驅(qū)動(dòng)集成模塊3. 6SD312、 SKHI61 六路驅(qū)動(dòng)集成模塊六路驅(qū)動(dòng)集成模塊 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)厚膜驅(qū)動(dòng)電路厚膜驅(qū)動(dòng)電路 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)M57962L原理圖原理圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)集成驅(qū)動(dòng)模塊集成驅(qū)動(dòng)模塊2SD315原理框圖原理框圖SKHI22A IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

8、6SD312 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)例驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)例 在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前全面了解所選器件的參數(shù)在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前全面了解所選器件的參數(shù) 在線路設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì)在線路設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì),保證器保證器件工作在安全工作區(qū)件工作在安全工作區(qū) 1. 盡量縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，將開(kāi)關(guān)損耗降到最低盡量縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，將開(kāi)關(guān)損耗降到最低 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)STEP1. 器件選型器件選型3.3 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)CrssCissCoss 除了了解器件的耐壓電流等容量參數(shù)，還需特別注意寄生電容和引線電感對(duì)開(kāi)關(guān)波形的影響

9、Ciss=Cgs+CgdCrss=CgdCoss=Cgd+Cds 1、Ciss對(duì)驅(qū)動(dòng)電路影響最大2、Coss對(duì)輸出電壓的波形有影響。3、Crss使得漏極的電壓變化對(duì)門極產(chǎn)生影響。STEP2.功率損耗計(jì)算功率損耗計(jì)算3.3 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)1、確定輸入電容CINCIN 3-5 CISS2、輸入電容儲(chǔ)存能量WW = CIN V23、驅(qū)動(dòng)器件所需功率PP = fc CIN V2或者 P = fc Q V4、確定門極輸入電流IGIG V / RG設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率5khz，200A電流耐量的電流耐量的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。（驅(qū)動(dòng)電路。（BSM200GB120DN2)

10、IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)1、CIN 3-5 CISS 5 13 nF,= 65nF 2、P = fc CIN V2 = 5k 65n 900 = 0.2925W3、IG V / RG= 30/4.7=6.4A4、設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電壓為+15V，考慮驅(qū)動(dòng)電路的自身?yè)p耗，驅(qū)動(dòng)功率加上0.5-1w的余量STEP3. 具體電路設(shè)計(jì)具體電路設(shè)計(jì) IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)常用門極連接電路圖具體設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題：具體設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題：1、獨(dú)立電源供電、獨(dú)立電源供電2、開(kāi)通關(guān)段過(guò)程時(shí)間、開(kāi)通關(guān)段過(guò)程時(shí)間3、門極脈沖整形、門極脈沖整形 IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) IGB

11、T動(dòng)態(tài)性能與門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有動(dòng)態(tài)性能與門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有關(guān)的問(wèn)題：關(guān)的問(wèn)題：主器件的開(kāi)關(guān)損耗主器件的開(kāi)關(guān)損耗二極管恢復(fù)的影響（開(kāi)關(guān)損耗、電壓瞬變、電路二極管恢復(fù)的影響（開(kāi)關(guān)損耗、電壓瞬變、電路噪聲）噪聲）直流環(huán)節(jié)電感與電壓瞬變直流環(huán)節(jié)電感與電壓瞬變短路保護(hù)電路短路保護(hù)電路1.關(guān)斷狀態(tài)的關(guān)斷狀態(tài)的dv/dt保護(hù)保護(hù) IGBT(MOSFET)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù) 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)功率半導(dǎo)體器件損壞的主要原因：功率半導(dǎo)體器件損壞的主要原因：過(guò)壓過(guò)壓過(guò)流過(guò)流過(guò)熱過(guò)熱1.超結(jié)構(gòu)應(yīng)力超結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)（1）防止驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)壓造成門極損壞）防止驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)壓造成門極損壞避免門極與漏極間

12、的阻抗太高，這樣可能由于干避免門極與漏極間的阻抗太高，這樣可能由于干擾或者擾或者dv/dt引起門極擊穿而損壞器件。引起門極擊穿而損壞器件。 適當(dāng)降低門極阻抗，在門極與漏極間并接適當(dāng)降低門極阻抗，在門極與漏極間并接15-20V的穩(wěn)壓管。的穩(wěn)壓管。 存儲(chǔ)和使用過(guò)程中避免門極開(kāi)路。存儲(chǔ)和使用過(guò)程中避免門極開(kāi)路。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)防止靜電擊穿防止靜電擊穿對(duì)于絕緣柵極器件，很容易發(fā)生靜電擊穿。在對(duì)于絕緣柵極器件，很容易發(fā)生靜電擊穿。在使用和存儲(chǔ)時(shí)要格外注意保護(hù)。使用和存儲(chǔ)時(shí)要格外注意保護(hù)。用靜電包裝袋存儲(chǔ)用靜電包裝袋存儲(chǔ)接入電路前工作臺(tái)要良好接地接入電路前工作臺(tái)要良好接地測(cè)試時(shí)，測(cè)量

13、儀器良好接地測(cè)試時(shí)，測(cè)量?jī)x器良好接地1.防止偶然性振蕩損壞器件防止偶然性振蕩損壞器件 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)（2）防止主電路過(guò)壓造成門極損壞）防止主電路過(guò)壓造成門極損壞首先保證器件的容量符合所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在有效首先保證器件的容量符合所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在有效成本控制的情況下，留出足夠的電壓余量。成本控制的情況下，留出足夠的電壓余量。要注意器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的要注意器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的di/dt導(dǎo)致的尖峰電壓，導(dǎo)致的尖峰電壓，可以采取穩(wěn)壓管箝位、加緩沖電路等方法抑制?？梢圆扇》€(wěn)壓管箝位、加緩沖電路等方法抑制。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)2.過(guò)流保護(hù)過(guò)流保護(hù)負(fù)載的突然變化會(huì)產(chǎn)生很高的沖擊

14、電流，必須通負(fù)載的突然變化會(huì)產(chǎn)生很高的沖擊電流，必須通過(guò)電流傳感器檢測(cè)或者飽和壓降檢測(cè)來(lái)確定過(guò)流過(guò)電流傳感器檢測(cè)或者飽和壓降檢測(cè)來(lái)確定過(guò)流的范圍并且實(shí)現(xiàn)保護(hù)。的范圍并且實(shí)現(xiàn)保護(hù)。傳感器檢測(cè)是對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)的保護(hù)，防止因?yàn)檫^(guò)傳感器檢測(cè)是對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)的保護(hù)，防止因?yàn)檫^(guò)流損壞器件后又損壞其他的設(shè)備。流損壞器件后又損壞其他的設(shè)備。飽和壓降檢測(cè)才是能夠?qū)ζ骷鸬奖Ｗo(hù)的檢測(cè)方飽和壓降檢測(cè)才是能夠?qū)ζ骷鸬奖Ｗo(hù)的檢測(cè)方法。法。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)3.過(guò)熱保護(hù)過(guò)熱保護(hù)由于半導(dǎo)體器件工作性能受節(jié)溫的影響非常大，由于半導(dǎo)體器件工作性能受節(jié)溫的影響非常大，必須保證器件的工作溫度不超過(guò)允許節(jié)溫。必須保證器件的工作溫度不超過(guò)允許節(jié)溫。器件的工作損耗會(huì)導(dǎo)致溫度升高，環(huán)境的溫度也器件的工作損耗會(huì)導(dǎo)致溫度升高，環(huán)境的溫度也能引起節(jié)溫變化，器件在工作時(shí)必須保證很好的能引起節(jié)溫變化，器件在工作時(shí)必須保證很好的散熱。散熱。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)總結(jié)總結(jié)功率半導(dǎo)體器件