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詳談IGBT電力電子裝置的應(yīng)用

發(fā)布時間:2011-09-09

中心議題:
  • 熟悉IGBT的工作特性
  • 了解IGBT電力電子裝置應(yīng)用
解決方案:
  • 利用l700v,200~300A的IGBT的驅(qū)動電路
  • 實現(xiàn)了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖

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)點于一體,具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、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。

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)動和保護電路是電路設(shè)計的難點和重點,是整個裝置運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為解決IGBT的可靠驅(qū)動問題,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功能,而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護、欠壓保護和1GBT軟關(guān)斷的功能,且價格相對便宜,因此,本文將對其進行研究,并給出1700V,200~300A  IGBT的驅(qū)動和保護電路。

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)動電流與驅(qū)動功率非常小,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IGBT導(dǎo)通,當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時,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)動電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài),使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅(qū)動電路要求


在設(shè)計IGBT驅(qū)動時必須注意以下幾點。

1)柵極正向驅(qū)動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)動電壓增大時,.IGBT的導(dǎo)通電阻下降,使開通損耗減小;但若正向驅(qū)動電壓過大則負載短路時其短路電流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)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進入線性放大區(qū)域,使IGBT過熱損壞;使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通,一般負偏置電壓選一5V為宜。另外,IGBT開通后驅(qū)動電路應(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。但在大電感負載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大,因為高速開通和關(guān)斷時,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)動相當(dāng)重要。RG較小,柵射極之間的充放電時間常數(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)時間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic/dt,CG太大,開通時間延時,CG太小對抑制dic/dt效果不明顯。

4)當(dāng)IGBT關(guān)斷時,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電阻。此外,在實際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(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)與正負柵壓相同。
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3 HCPL-316J驅(qū)動電路

3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理


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)動信號繼續(xù)加在腳1,欠壓信號為低電平,B點輸出低電平,三級達林頓管被關(guān)斷,1×DMOS導(dǎo)通,IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉,實現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時,即VOUT輸出低電平,C點變?yōu)榈碗娖剑珺點為高電平,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)動電路設(shè)計

HCPL-316J左邊的VIN+,F(xiàn)AULT和RESET分別與微機相連。R7,R8,R9,D5,D6和C12 起輸入保護作用,防止過高的輸入電壓損壞IGBT,但是保護電路會產(chǎn)生約1μs延時,在開關(guān)頻率超過100kHz時不適合使用。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,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。首先計算柵極電阻:其中ION為開通時注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通,設(shè)計,IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。C3是一個非常重要的參數(shù),最主要起充電延時作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動,芯片開始工作時,由于IGBT的集電極C端電壓還遠遠大于7V,若沒有C3,則會錯誤地發(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在延時時間內(nèi)就被燒壞,起不到正確的保護作用,  C3取值100pF,其延時時間在集電極檢測電路用兩個二極管串連,能夠提高總體的反向耐壓,從而能夠提高驅(qū)動電壓等級,但二極管的反向恢復(fù)時間要很小,且每個反向耐壓等級要為1000V,一般選取BYV261E,反向恢復(fù)時間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的放電來實現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過兩個快速三極管推挽輸出,使驅(qū)動電流最大能達到20A,能夠快速驅(qū)動1700v、200-300A的IGBT。

3.3驅(qū)動電源設(shè)計

在驅(qū)動設(shè)計中,穩(wěn)定的電源是IGBT能否正常工作的保證。電源采用正激變換,抗干擾能力較強,副邊不加濾波電感,輸入阻抗低,使在重負載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定。

當(dāng)s開通時,+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,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,實現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位。555定時器接成多諧振蕩器,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,其充電時間t1≈R1C2ln2;放電時間t2=R2C1ln2,充電時輸出高電平,放電時輸出低電平。所以占空比=t1/(t1+t2)。

變壓器按下述參數(shù)進行設(shè)計:原邊接+12v,頻率為60kHz,工作磁感應(yīng)強度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。

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


本文設(shè)計了一個可驅(qū)動l700v,200~300A的IGBT的驅(qū)動電路。硬件上實現(xiàn)了對兩個IGBT(同一橋臂)的互鎖,并設(shè)計了可以直接給兩個IGBT供電的驅(qū)動電源。

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)動的要求。

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,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)動信號以驅(qū)動IGBT;

腳12(VC)三級達林頓管集電極電源;

腳13(VCC2)驅(qū)動電壓源;

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。

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)動電壓正常,驅(qū)動信號輸出高電平,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點低電平,B點也為低電平,50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時JP1的輸入的4個狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低,A點高電平,驅(qū)動三級達林頓管導(dǎo)通,IGBT也隨之開通。
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