IGBT高壓大功率驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的應(yīng)用及原理

通過對功率器件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 

    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、控制電路簡單、開關(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)問題，國外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路或模塊，如國內(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IR公司生產(chǎn)的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價(jià)格相對便宜，因此，本文將對其進(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來控制的，當(dāng)UGE大于開啟電壓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，使開通損耗減小；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過大則負(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)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過小會使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在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。

    2)IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí)，會產(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，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時(shí)間延時(shí)，CG太小對抑制dic／dt效果不明顯。

    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。

    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。[!--empirenews.page--]

    各引腳功能如下：
    腳1(VIN+)正向信號輸入；
    腳2(VIN-)反向信號輸入；
    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)，通過光耦輸出故障信號；
    腳7(VLED1+)光耦測試引腳，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)信號以驅(qū)動(dòng)IGBT；
    腳12(VC)三級達(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；
    腳15(VLED2+)光耦測試引腳，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沒有過流信號，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓正常，驅(qū)動(dòng)信號輸出高電平，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到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)三級達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。

    若IGBT出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅(qū)動(dòng)信號繼續(xù)加在腳1，欠壓信號為低電平，B點(diǎn)輸出低電平，三級達(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。故障線上信號通過光耦，再經(jīng)過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流的情況。

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，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護(hù)電路會產(chǎn)生約1µs延時(shí)，在開關(guān)頻率超過100kHz時(shí)不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當(dāng)兩路PWM信號(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Interlock，和Interlock2分別與另外一個(gè)316J Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對故障信號的放大和濾波，當(dāng)有干擾信號后，能讓微機(jī)正確接受信息。

    在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開通的快慢和開關(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為開通時(shí)注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通，設(shè)計(jì)，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。可得

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    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，若沒有C3，則會錯(cuò)誤地發(fā)出短路故障信號，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，若沒有C3，則也會發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號，使IGBT誤關(guān)斷。但是，C3的取值過大會使系統(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

    在集電極檢測電路用兩個(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，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)過流信號后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是C5通過內(nèi)部MOSFET的放電來實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過兩個(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。

    當(dāng)s開通時(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，通過能量耦合使副邊經(jīng)過整流輸出。當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，通過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，通過對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，并用方波信號來控制S的開通和關(guān)斷。+12v經(jīng)過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)。

    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)

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

4 結(jié)語
    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。