淺析IGBT門級(jí)驅(qū)動(dòng)

淺析IGBT門級(jí)驅(qū)動(dòng)

絕緣柵雙極晶體管IGBT是第三代電力電子器件，安全工作，它集功率晶體管GTR和功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有易于驅(qū)動(dòng)、峰值電流容量大、自關(guān)斷、開關(guān)頻率高(10-40kHz)的特點(diǎn)，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應(yīng)用于小體積、高效率的變頻電源、電機(jī)調(diào)速、UPS及逆變焊機(jī)當(dāng)中。IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)是其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù),故作為重點(diǎn)介紹給同學(xué)們。1IGBT門極驅(qū)動(dòng)要求

1.1柵極驅(qū)動(dòng)電壓

因IGBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但I(xiàn)GBT的輸入電容較MOSFET大，所以IGBT的驅(qū)動(dòng)偏壓應(yīng)比MOSFET驅(qū)動(dòng)所需偏壓強(qiáng)。圖1是一個(gè)典型的例子。在+20℃情況下，實(shí)測(cè)60A，1200V以下的IGBT開通電壓閥值為5～6V，在實(shí)際使用時(shí)，為獲得最小導(dǎo)通壓降，應(yīng)選取Uge≥(1.5～3)Uge(th)，當(dāng)Uge增加時(shí)，導(dǎo)通時(shí)集射電壓Uce將減小，開通損耗隨之減小，但在負(fù)載短路過程中Uge增加，集電極電流Ic也將隨之增加，使得IGBT能承受短路損壞的脈寬變窄，因此Uge選擇不應(yīng)太大，這足以使IGBT完全飽和，同時(shí)也限制了短路電流及其所帶來(lái)的應(yīng)力(在具有短路工作過程的設(shè)備中，如在電機(jī)中使用IGBT時(shí)，+Uge在滿足要求的情況下盡量選取最小值，以提高其耐短路能力)。

1.2對(duì)電源的要求

對(duì)于全橋或半橋電路來(lái)說(shuō)，上下管的驅(qū)動(dòng)電源要相互隔離，由于IGBT是電壓控制器件，所需要的驅(qū)動(dòng)功率很小，主要是對(duì)其內(nèi)部幾百至幾千皮法的輸入電容的充放電，要求能提供較大的瞬時(shí)電流，要使IGBT迅速關(guān)斷，應(yīng)盡量減小電源的內(nèi)阻，并且為防止IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的du/dt誤使IGBT導(dǎo)通，應(yīng)加上一個(gè)-5V的關(guān)柵電壓，以確保其完全可靠的關(guān)斷(過大的反向電壓會(huì)造成IGBT柵射反向擊穿，一般為-2～-10V之間)。

1.3對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的要求

從減小損耗角度講，門極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升沿和下降沿要盡量陡峭，前沿很陡的門極電壓使IGBT快速開通，達(dá)到飽和的時(shí)間很短，因此可以降低開通損耗，同理，在IGBT關(guān)斷時(shí)，陡峭的下降沿可以縮短關(guān)斷時(shí)間，從而減小了關(guān)斷損耗，發(fā)熱量降低。但在實(shí)際使用中，過快的開通和關(guān)斷在大電感負(fù)載情況下反而是不利的。因?yàn)樵谶@種情況下，IGBT過快的開通與關(guān)斷將在電路中產(chǎn)生頻率很高、幅值很大、脈寬很窄的尖峰電壓Ldi/dt，并且這種尖峰很難被吸收掉。此電壓有可能會(huì)造成IGBT或其他元器件被過壓擊穿而損壞。所以在選擇驅(qū)動(dòng)波形的上升和下降速度時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路中元件的耐壓能力及du/dt吸收電路性能綜合考慮。

1.4對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求

由于IGBT的開關(guān)過程需要消耗一定的電源功率，最小峰值電流可由下式求出：

IGP=△Uge/RG+Rg；

式中△Uge=+Uge+|Uge|；RG是IGBT內(nèi)部電阻；Rg是柵極電阻。

驅(qū)動(dòng)電源的平均功率為：

PAV=Cge△Uge2f,

式中．f為開關(guān)頻率；Cge為柵極電容。

1.5柵極電阻

為改變控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減小IGBT集電極的電壓尖峰，應(yīng)在IGBT柵極串上合適的電阻Rg。當(dāng)Rg增大時(shí)，IGBT導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，損耗發(fā)熱加??；Rg減小時(shí)，di/dt增高，可能產(chǎn)生誤導(dǎo)通，使IGBT損壞。應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關(guān)頻率來(lái)選取Rg的數(shù)值。通常在幾歐至幾十歐之間(在具體應(yīng)用中，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以適當(dāng)調(diào)整)。另外為防止門極開路或門極損壞時(shí)主電路加電損壞IGBT，建議在柵射間加入一電阻Rge，阻值為10kΩ左右。1.6柵極布線要求

合理的柵極布線對(duì)防止?jié)撛谡鹗?，減小噪聲干擾，保護(hù)IGBT正常工作有很大幫助。

a．布線時(shí)須將驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和lGBT之間的寄生電感減至最低(把驅(qū)動(dòng)回路包圍的面積減到最小)；

b．正確放置柵極驅(qū)動(dòng)板或屏蔽驅(qū)動(dòng)電路，防止功率電路和控制電路之間的耦合；

c．應(yīng)使用輔助發(fā)射極端子連接驅(qū)動(dòng)電路；

d．驅(qū)動(dòng)電路輸出不能和IGBT柵極直接相連時(shí)，應(yīng)使用雙絞線連接(2轉(zhuǎn)／cm)；

e．柵極保護(hù)，箝位元件要盡量靠近柵射極。

1.7隔離問題

由于功率IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，所以驅(qū)動(dòng)電路必須與整個(gè)控制電路在電位上完全隔離，主要的途徑及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。表1驅(qū)動(dòng)電路與控制電路隔離的途徑及優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)利用光電耦合器進(jìn)行隔離

體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、輸出脈寬不受限制，適用于PWM控制器

1、共模干擾抑制不理想

2、響應(yīng)速度慢，在高頻狀態(tài)下應(yīng)用受限制

3、需要相互隔離的輔助電源利用脈沖變壓器進(jìn)行隔離

響應(yīng)速度快，共模干擾抑制效果好

1、信號(hào)傳送的最大脈沖寬度受磁芯飽和特性的限制，通常不大于50％，最小脈寬受磁化電流限制

2、受漏感及集膚影響，加工工藝復(fù)雜

2

典型的門極驅(qū)動(dòng)電路介紹

2.1脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路

脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，V1～V4組成脈沖變壓器一次側(cè)驅(qū)動(dòng)電路，通過控制V1、V4和V2、V3的輪流導(dǎo)通，將驅(qū)動(dòng)脈沖加至變壓器的一次側(cè)，二次側(cè)通過電阻R1與IGBT5柵極相連，R1、R2防止IGBT5柵極開路并提供充放電回路，R1上并聯(lián)的二極管為加速二極管，用以提高IGBT5的開關(guān)速度，穩(wěn)壓二極管VS1、VS2的作用是限制加在IGBT5g-e端的電壓，避免過高的柵射電壓擊穿柵極。柵射電壓一般不應(yīng)超過20V。

圖2脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路

2.2光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路

光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。由于IGBT是高速器件，所選用的光耦必須是小延時(shí)的高速型光耦，由PWM控制器輸出的方波信號(hào)加在三極管V1的基極，V1驅(qū)動(dòng)光耦將脈沖傳遞至整形放大電路IC1，經(jīng)IC1放大后驅(qū)動(dòng)由V2、V3組成的對(duì)管(V2、V3應(yīng)選擇β>100的開關(guān)管)。對(duì)管的輸出經(jīng)電阻R1驅(qū)動(dòng)IGBT4，R3為柵射結(jié)保護(hù)電阻，R2與穩(wěn)壓管VS1構(gòu)成負(fù)偏壓產(chǎn)生電路，VS1通常選用1W/5.1V的穩(wěn)壓管。此電路的特點(diǎn)是只用1組供電就能輸出正負(fù)驅(qū)動(dòng)脈沖，使電路比較簡(jiǎn)潔。

圖3光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路

2.3驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路

應(yīng)用成品驅(qū)動(dòng)模塊電路來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT，可以大大提高設(shè)備的可靠性，目前市場(chǎng)上可以買到的驅(qū)動(dòng)模塊主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，惠普的HCPL316J、3120等。這類模塊均具備過流軟關(guān)斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號(hào)輸出功能。由于這類模塊具有保護(hù)功能完善、免調(diào)試、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用這類模塊驅(qū)動(dòng)IGBT可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。EXB840和M57962很多資料都有介紹，這里就簡(jiǎn)要介紹一下惠普公司的HCPL316J。典型電路如圖4所示。

圖4由驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路

HCPL316J可以驅(qū)動(dòng)150A/1200V的IGBT，光耦隔離，COMS/TTL電平兼容，過流軟關(guān)斷，最大開關(guān)速度500ns，工作電壓15～30V，欠壓保護(hù)。輸出部分為三重復(fù)合達(dá)林頓管，集電極開路輸出。采用標(biāo)準(zhǔn)SOL-16表面貼裝。

HCPL316J輸入、輸出部分各自排列在集成電路的兩邊，由PWM電路產(chǎn)生的控制信號(hào)加在316j的第1腳，輸入部分需要1個(gè)5V電源，RESET腳低電平有效，故障信號(hào)輸出由第6腳送至PWM的關(guān)閉端，在發(fā)生過流情況時(shí)及時(shí)關(guān)閉PWM輸出。輸出部分采用+15V和-5V雙電源供電，用于產(chǎn)生正負(fù)脈沖輸出