絕緣柵雙極型調制管igb的驅動和保護

絕緣柵雙極型調制管igb的驅動和保護

絕緣體圈雙極體（igdt）是近年來開發(fā)的半導體裝置。它結合了mosfi和功率矩陣gtr的優(yōu)點。輸出端的可靠性高，開關頻率高（10.40hz），最大電流能力強，隔離不良，縮短和快速驅動。它是目前發(fā)展最快的開發(fā)最小多功能設備之一。它被廣泛應用于各種電機控制裝置、連續(xù)電源、醫(yī)療設備和逆變器的領域。igdt的維護和保護是其應用的中心技術。在這項工作中，我們詳細研究了。1igbt的等效電路IGBT是在功率MOSFET漏區(qū)加入P+N結構構成的,導通電阻降低到普通功率MOSFET的1/10,其等效電路如圖1所示.其中R是厚基區(qū)調制電阻,IGBT可認為是由具有高輸入阻抗、高速MOSFET驅動的雙極型晶體管.圖2(見下頁)為IGBT的電氣特性(IGBT為200A/1200V),圖2a是集射電壓UCE與集電極電流IC的關系,圖2b是柵極電壓UGE與集電極電流IC的關系曲線.2igdt柵極驅動程序2.1uge對igbt通態(tài)電壓的影響IGBT為電壓控制器件,從其電氣特性圖2b可知,當UGE≥UGE(th)(UGE(th)為閾值電壓)時,IGBT即可開通,一般情況下UGE(th)=5~6V.由圖2a可知,當UGE增加時,通態(tài)電壓UCE減小,通態(tài)損耗減小,IGBT承受短路電流能力減小;當UGE太大時,可能會引起柵極電壓振蕩,損壞柵極.所以,在實際應用中應折中考慮柵極電壓的選取,為獲得通態(tài)壓降小,同時IGBT又具有較好的承受短路電流的能力,UGE應折中取12~15V為宜,12V最佳.在需要IGBT關斷期間,為提高IGBT的抗干擾能力及承受di/dt上升率能力(其中i為電流,t為時間),保證其可靠地關斷,最好給柵射極間加5~10V的負偏壓,過大的反向偏壓會造成IGBT柵射極反向擊穿.2.2rg時長對igbt開關時間和開關損耗的影響為抑制柵極脈沖前后沿陡度和防止振蕩,減小開關di/dt和IGBT集電極尖峰電壓,應在柵極串聯(lián)一個電阻RG.在選取RG值時,應根據(jù)IGBT電流容量和電壓額定值以及開關頻率選取.當RG過大時,IGBT的開關時間延長,開關損耗加大;RG減小時,IGBT的開關時間和開關損耗減小;但當RG過小時,可導致柵源之間振蕩,IGBT集電極di/dt增加,引起IGBT集電極尖峰電壓,使IGBT損壞.通常選取RG值在幾歐姆到十幾歐姆之間,如10Ω、15Ω、27Ω等.2.3igbt中的保護在IGBT開通期間,其集電極會經(jīng)常出現(xiàn)振蕩電壓,通過柵-集電容的聯(lián)系,柵極電壓也會受到影響,可能導致UGE超過閾值電壓UGE(th),引起IGBT誤導通,而且當UGE一旦產(chǎn)生過電壓(IGBT柵極耐壓約20V)就會損壞IGBT.為防止這類現(xiàn)象的發(fā)生,可采取在柵射極之間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或電阻RGE的方法.因穩(wěn)壓二極管有很大的結電容,影響IGBT的開關速度,所以并聯(lián)穩(wěn)壓二極管的方法在IGBT高速工作時需要增大驅動電流.3igdt保護電路3.1主電路紗線雜散音IGBT關斷時的換相過電壓,主要決定于主電路的雜散電感及關斷時的di/dt.在正常工作時di/dt較低,通常不會造成IGBT損壞,但在過流故障狀態(tài)時,di/dt會迅速增大產(chǎn)生較高的過電壓,所以應盡量減小主電路布線雜散電感,以減小因di/dt過大產(chǎn)生的過電壓.可以采取的措施有:直流環(huán)節(jié)的濾波電容應靠近IGBT模塊,濾波電容至IGBT模塊的正負極連線盡量靠近;采用RCD電路吸收過電壓尖峰,而且電容和電阻均應采用無感電容和無感電阻,吸收二極管D應為快速恢復器件,吸收電路直接連接到IGBT的相應端子上.3.2負載短路故障的保護當過電流小于工作電流的2倍時,可采用瞬時封鎖柵極脈沖的方法來實現(xiàn)保護.當過電流的倍數(shù)較高時,尤其是發(fā)生負載短路故障時,加瞬時封鎖柵極脈沖會使di/dt很大,在回路雜散電感上感應出較高的尖峰電壓,RCD吸收電路很難徹底吸收此尖峰電壓.為此,在保護中應采取軟關斷措施使柵極電壓在2~5μs降至零電壓,目前常用的IGBT驅動模塊內部均具有此過流軟關斷功能.4驅動電路4.1dz1穩(wěn)壓管圖3是由分立元件構成的IGBT驅動電路.光耦采用小延時高速型光耦,T1和T2組成圖騰結構的對管(T1、T2選用三級管的放大倍數(shù)β>100的開關管),DZ1選用5V/1W的穩(wěn)壓管.當輸入信號到來時,T2截止,T1導通,對IGBT施加+12V柵極電壓;當輸入信號消失時,T1截止,T2導通,5V穩(wěn)壓管為IGBT提供反向關斷電壓;穩(wěn)壓二極管DZ2、DZ3的作用是限制加在IGBT柵射間的電壓,避免過高的柵射電壓擊穿柵極.此電路結構簡單,可用于驅動小功率變換器中的IGBT.4.2日本愛國公司采用的系統(tǒng)目前生產(chǎn)IGBT的幾個主要廠家都開發(fā)了與之配套的驅動模塊電路.如富士的EXB系列、東芝的TK系列、莫托羅拉的MPD系列和惠普HCPL系列等.這類模塊均具備過流軟關斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定和故障信號輸出的功能.應用這類模塊可提高產(chǎn)品的可靠性能.圖4是EXB841模塊驅動IGBT的應用電路.EXB841是日本富士公司設計的可驅動高達400A/600V和300A/1200V的IGBT,最高工作頻率為40kHz.內裝用于高隔離電壓的光耦合器,采用+20V直流單電源供電,可產(chǎn)生+15V開柵電壓和-5V關柵電壓,內部裝有過流檢測電路和軟關斷電路,過流檢測電路可按驅動信號與集電極電壓之間的關系檢測過流,當IGBT的電流超過設定值時,軟關斷電路低速切斷電路,保護IGBT不被損壞.在圖4中,端腳6用于監(jiān)測集電極電壓,從圖2a可知,當UGE不變,通態(tài)電壓UCE隨集電極電流增大而增高,所以可用檢測UCE作為過流的判斷信號,當IGBT的UCE過高(一般達7V)時則出現(xiàn)過流信號,此信號經(jīng)過流檢測電路10μs檢查(IGBT能抵抗10μs短路電流),濾除其中的干擾信號,確定為過流時,端腳5信號由高電平變?yōu)榈碗娖?光耦TLP521工作,發(fā)出過流保護輸出,封鎖驅動輸入信號,切斷IGBT.此電路在作者研制的3