1引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor,絕緣柵雙極晶體管)和MOSFET (Metallic oxide semiconductor field effecttransistor,金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管)等高頻自關(guān)斷器件應(yīng)用的日益廣泛,驅(qū)動電路的設(shè)計就顯得尤為重要。本文介紹了一種以CONCEPT公司的IGD515EI驅(qū)動器為主要器件構(gòu)成的驅(qū)動電路,適用于大功率、高耐壓IGBT模塊串、并聯(lián)電路的驅(qū)動和保護。通過光纖傳輸驅(qū)動及狀態(tài)識別信號,進行高壓隔離傳輸,具有良好的抗電磁干擾性能和高于15A的驅(qū)動電流。因此,該電路適用于高壓大功率場合。在隔離的高電位端, IGD515EI內(nèi)部的DC-DC電源模塊只需一路驅(qū)動電源就能夠產(chǎn)生柵極驅(qū)動所需的±15V電源。器件內(nèi)還包括功率管的過流和短路保護電路,以及信號反饋檢測功能。該電路是一種性能優(yōu)異、成熟的驅(qū)動電路。

2IGD515EI在剛管調(diào)制器中的應(yīng)用

雷達發(fā)射機常用的調(diào)制器一般有三種類型:軟性開關(guān)調(diào)制器、剛性開關(guān)調(diào)制器和浮動板調(diào)制器。浮動板調(diào)制器一般用于控制極調(diào)制的微波電子管,而對于陰調(diào)的微波管則只能采用軟性開關(guān)調(diào)制器和剛性開關(guān)調(diào)制器。由于軟性開關(guān)調(diào)制器不易實現(xiàn)脈寬變化,故在陰調(diào)微波管發(fā)射機的脈寬要求變化時,發(fā)射機的調(diào)制器往往只能采用剛性開關(guān)調(diào)制器。剛性開關(guān)調(diào)制器又稱剛管調(diào)制器,剛管調(diào)制器因其調(diào)制開關(guān)可受控主動關(guān)斷而得名。因此,采用這種調(diào)制器發(fā)射機脈寬可實現(xiàn)脈間變化。

IGBT屬于場控功率管,具有開關(guān)速度快、管壓降小等特點,在剛管調(diào)制器中得到越來越廣泛的應(yīng)用,但其觸發(fā)電路設(shè)計以及單只IGBT有限的電壓和電流能力是其推廣應(yīng)用的難點。方案采用IGD515EI,加入相應(yīng)的外圍電路,構(gòu)成了IGBT驅(qū)動電路,通過IGD515EI的34腳(SDSOA)多管聯(lián)用特性端實現(xiàn)兩管串聯(lián)應(yīng)用,解決了IGBT單管耐壓不高的問題。IGBT驅(qū)動電路如圖1所示。驅(qū)動信號通過光纖接收器HFBR-2521送給驅(qū)動模塊,驅(qū)動模塊報故障時通過光纖發(fā)射器HFBR-1521送出故障信號給控制電路,由控制電路切斷所有IGBT驅(qū)動電路的驅(qū)動信號,各個IGD515EI同時輸出-15V的負偏壓,各個IGBT同時關(guān)斷,避免個別器件提前關(guān)斷,造成過壓擊穿。

圖1IGBT驅(qū)動電路

2. 1IGBT驅(qū)動器電源設(shè)計

由于IGD515EI只需要單路電源供電,在輸入端的10腳(VCC)和9腳(GND)接入+15V電源,由模塊內(nèi)部通過DC/DC變換產(chǎn)生±15V和+5V輸出,為光纖發(fā)射器、接收器以及輸出電路提供電源。因而對每個處于高電位的驅(qū)動電路來說,只需提供一個15V電源即可,便于做到電位隔離。

2. 2IGBT柵極觸發(fā)電路設(shè)計

驅(qū)動器的25腳(G)輸出的驅(qū)動電壓為±12V~±15V,這取決于電源電壓;也可不產(chǎn)生負的柵極電壓,這要由具體的應(yīng)用和所使用的功率管決定。最大柵極充電電流是±15A,充電電流由外接的柵極電阻限定。如果將25腳G通過電阻直接與IGBT:G相連, IGBT的驅(qū)動波形上升沿較大,但IGBT導通后上升較快,如圖2所示;

圖2IGD515EI輸出端不加MOS管時IGBT的驅(qū)動波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

如果在25腳與IGBT:G中間串入一只MOS管,進行電流放大,可有效地減小IGBT驅(qū)動波形的上升沿,縮短IGBT的導通過程,減小IGBT離散性造成的導通不一致性,減小動態(tài)均壓電路的壓力,但IGBT導通后上升較慢,其波形如圖3所示。

圖3IGD515EI輸出端加MOS管時IGBT的驅(qū)動波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

2. 3IGBT過流檢測及保護電路參數(shù)的選擇

(1)響應(yīng)時間電容和中斷時間電容選擇

功率管,特別是IGBT的導通需要幾個微秒,因此功率管導通后要延遲一段時間才能對其管壓降進行監(jiān)測,以確定IGBT是否過流,這個延遲即為“響應(yīng)時間”。響應(yīng)時間電容CME的作用是和內(nèi)部1. 5kΩ上拉電阻構(gòu)成數(shù)微秒級的延時ta,CME的計算方法如下:

在IGBT導通以后,通過IGD515EI內(nèi)部的檢測電路對19腳的檢測電壓(IGBT的導通壓降)進行檢測。若導通壓降高于設(shè)定的門限,則認為IGBT處于過流工作狀態(tài),由IGD515EI的35腳送出IGBT過流故障信號,經(jīng)光纖送給控制電路,將驅(qū)動信號封鎖一小段時間。這段時間為截止時間tb,大小由20腳(Cb)與24腳(COM)之間外接的電容Cb確定。對于給定的截止時間,則Cb由下式確定:[!--empirenews.page--]

試驗中,我們選擇Cbmax=470nF,此時截止時間為33. 65ms。需要說明的是,通過調(diào)整19腳的外接電阻的阻值,可以調(diào)整檢測的門限電平。

2. 4IGBT的串聯(lián)

(1)串聯(lián)IGBT電壓均衡

串聯(lián)IGBT工作的一個重要方面是對由于器件的離散特性與驅(qū)動電路的不匹配在器件兩端引起的靜態(tài)和動態(tài)不均衡。

靜態(tài)均衡可以在IGBT的C、E兩端并聯(lián)阻值較大的電阻R4來實現(xiàn),如圖4所示。通過并聯(lián)電阻的分壓,保證在IGBT關(guān)斷期間每只IGBT兩端的電壓相等。該電阻必須參考IGBT的漏電流,在此基礎(chǔ)上進行合適的選擇,要使流過分壓電阻的電流比IGBT的最大漏電流大若干倍,同時要注意均壓電阻的阻值不能過分小,以免增加功率損耗。

動態(tài)均壓電路由圖4中的D1、R1、C1組成。在IGBT開始關(guān)斷或開始導通時,由于IGBT導通的離散性,必然有個別IGBT提前導通或提前關(guān)斷,在遲后導通和提前關(guān)斷的IGBT兩端,必然會產(chǎn)生尖峰電壓,在IGBT的兩端通過D1并聯(lián)電容C1,使尖峰電壓必須先對C1充電,這樣IGBT兩端的尖峰電壓的上升速度受到C1的限制,并可由并聯(lián)在每個IGBT兩端的C1分壓,由C1實現(xiàn)對動態(tài)尖峰電壓的均衡。在IGBT導通期間,由于D1的單向?qū)щ娞匦? C1通過R1、IGBT將儲存的電荷放掉,以便吸收IGBT下次關(guān)斷時產(chǎn)生的浪涌電壓。選擇R1時要考慮C1的放電時間常數(shù),確定合適的阻值。

圖4IGBT的均壓電路

對于串聯(lián)IGBT來說,其動態(tài)不均壓最為嚴重的情況是由于IGBT導通延遲時間的差異引起的,在動態(tài)均壓效果良好的情況下, IGBT上的電壓變化將受到C1的限制。設(shè)每個IGBT能夠承擔的額外的電壓能力為△UIGBT,在串聯(lián)IGBT未完全導通時刻回路中的電流(可用IGBT完全導通時刻回路中的放電電流代替)是I,設(shè)該IGBT相對于其它IGBT的導通遲后的時間是△t,則均壓電容C1應(yīng)滿足下式要求:

C1=I△t/△UIGBT而△UIGBT=VIGBT-UN/n

VIGBT是IGBT的額定工作電壓,UN是串聯(lián)IGBT的工作電壓,n是IGBT的串聯(lián)數(shù)量。根據(jù)上式可求出均壓電容C1,對R1的取值既要保證3R1C1≤脈沖寬度τ,以便在脈內(nèi)使電容C1上的電荷通過R1放完,同時還要使其起到限流作用,即盡量取得大一些。

(2)串聯(lián)IGBT的保護

在多只IGBT串聯(lián)時,將IGD515EI的34腳(SD-SOA)應(yīng)接入+5V。這樣,即使某個IGBT發(fā)生故障,故障的IGBT也不會提前關(guān)斷,而是將故障信號通過光纖送給控制電路,由控制電路關(guān)斷所有IGBT的驅(qū)動信號,所有的IGBT同時關(guān)斷,即使在出現(xiàn)故障的情況下也要保證串聯(lián)IGBT關(guān)斷的一致性。

為了防止IGBT柵極過壓,采用如圖1中D1、D2背對背15V穩(wěn)壓管。為了防止IGBT過熱,在IGBT的散熱器上加溫度繼電器。同時,采用互感器檢測通過IGBT的電流,檢測的信號送至比較器與設(shè)定的電平值相比較。電流超過設(shè)定值時就輸出過流信號,由控制電路關(guān)斷IGBT的驅(qū)動信號。

2. 5IGD515EI使用的注意事項

(1) 10腳VCC與9腳GND之間的電容量不能比23腳Cs端與24腳COM端之間的電容容量小,并且該電容容量要小于250μF。

(2) IGD驅(qū)動器同功率管之間連線應(yīng)該盡量短,不能超過10cm。連接每個功率管柵極、發(fā)射極,測量腳(漏極,集電極)的引線應(yīng)采用絞合線。

(3)盡量減小電路的寄生電感。在我們設(shè)計的調(diào)制器中,將驅(qū)動電路和均壓電路設(shè)計成印制板,直接安裝在IGBT的管腳上,這樣可減小由于分布電感引起的反電勢過大現(xiàn)象。

(4)光纖發(fā)射端的限流電阻取值要合適,如果限流電阻偏大,光纖發(fā)射電流不夠,次級有毛草,影響模塊的輸出脈沖。

(5)模塊25腳G外接的限流電阻不宜太小(不能小于1Ω),視所驅(qū)動的功率管決定。

(6)當給模塊提供+15V電源、無驅(qū)動信號時,IGBT的G、E之間是-15V電平。正常工作時, IGBT的G、E之間脈沖如圖5所示。

圖5IGD515EI輸出的IGBT驅(qū)動波形

3試驗結(jié)果

最初我們使用2只IGBT模塊串聯(lián)作為剛管調(diào)制器的放電開關(guān),工作電壓為2kV,前沿<0. 2μs,波形如圖6所示。該調(diào)制器連續(xù)工作數(shù)十小時,輸出波形穩(wěn)定可靠,證明驅(qū)動電路參數(shù)選擇合理。將取得經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用于10只IGBT串聯(lián),工作于8kV的剛管調(diào)制器中也取得了良好的效果,其波形與圖6類似。

圖6調(diào)制器輸出電壓波形(500V/p, 5μs/p)