IGBT驅(qū)動電路解說.doc

1IGBT驅(qū)動電路的要求驅(qū)動電路的作用是將單片機輸出的脈沖進行功率放大，以驅(qū)動IGBT，保證IGBT的可靠工作，驅(qū)動電路起著至關(guān)重要的作用，圖1為典型的PWM信號控制圖騰柱電路以驅(qū)動IGBT開通與關(guān)斷。對IGBT驅(qū)動電路的基本要求如下：圖1 IGBT典型驅(qū)動電路觸發(fā)脈沖要有足夠快的上升速度和下降速度，即脈沖沿前后要陡峭；柵極串聯(lián)電阻Rg要恰當，Rg過小，關(guān)斷時間過短，關(guān)斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高，Rg過大，器件開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大。柵極-射極電壓(VGE)要恰當，增大刪射正偏壓對減小開通損耗與導通損耗有利，但也會使IGBT承受短路時間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)電壓增大。因此正偏壓要適當，通常為+15V。為了保證在C-E間遇到噪聲時可靠關(guān)斷，關(guān)斷時必須在柵極施加負偏壓，以防止受到干擾時誤開通和加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗，幅值一般為-（510）V。當IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時，能在IGBT允許的時間內(nèi)通過逐漸降低柵極電壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號的消失而受到影響。下面從以上四個方面分析三種驅(qū)動模塊電路（驅(qū)動電路EXB841/840、SD315A集成驅(qū)動模塊、M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路）的特性。2.驅(qū)動電路EXB841/8402.1EXB841驅(qū)動芯片的內(nèi)部特性及其原理EXB841驅(qū)動芯片是可作為600V400A或者1200V300A以下的IGBT驅(qū)動電路，具有單電源、正負偏壓、過流檢測及保護、軟關(guān)斷等特性。驅(qū)動模塊導通與關(guān)斷時間都在1.5s以內(nèi)。最大允許的開關(guān)頻率為40KHz。EXB 系列驅(qū)動器的各引腳功能如下：腳 1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳 2 ：電源（ 20V ）；腳 3 ：驅(qū)動輸出；腳 4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；腳 5 ：過流保護輸出；腳 6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳 7 、 8 ：不接；腳 9 ： 電源地；腳 10 、 11 ：不接；腳 14 、 15 ：驅(qū)動信號輸入（一，）；圖2驅(qū)動電路EXB841/840EXB841 由放大部分、過流保護部分和 5V 電壓基準部分組成。 放大部分由光耦合器 IS01（ TLP550 ）、 V2 、 V4 、 V5 和 R1 、 C1 、 R2 、 R9 組成，其中 IS01 起隔離作用， V2 是中間級， V4 和 V5 組成推挽輸出。過流保護部分由 V1 、 V3 、 VD6 、 VS1和 C2 、 R3 、 R4 、 R5 、 R6 、C3 、 R7 、 R8 、 C4 等組成。它們實現(xiàn)過流檢測和延時保護功能。 EXB84l 的腳 6 通過快速二極管 VD7 接至 IGBT 的集電極，顯然它是通過檢測電壓 Uce 的高低來判斷是否發(fā)生短路。5V 電壓基準部分由 R10、VS2 和 C5 組成，既為驅(qū)動 IGBT 提供-5V 反偏壓，同時也為輸入光耦合器 IS01 提供副邊電源。其主要有三個工作過程：正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保護動作過程。14和15兩腳間外加PWM控制信號，當觸發(fā)脈沖信號施加于14和15引腳時，在柵極與源極之間產(chǎn)生約15V的IGBT開通電壓；當觸發(fā)控制脈沖撤銷時，在柵極與源極之間產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過流保護動作過程是根據(jù)IGBT的集電極與源極之間電壓Uce的大小判定是否過流而進行保護的，Uce由二極管VD7檢測。當IGBT開通時，若發(fā)生負載短路等發(fā)生大電流的故障，Uce會上升很多，使得VD7截止，EXB841的6腳“懸空”， C點電位開始由約8V上升，當上升至13V時，Vs1被擊穿，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，VD1導通，從而使IGBT的GE間電壓Uce下降，實現(xiàn)軟關(guān)斷，完成EXB841對IGBT的保護。射極電位為-5.1V，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vs2決定。 圖3 EXB841典型應(yīng)用電路表1 EXB841典型應(yīng)用相關(guān)電阻電感匹配參數(shù)2.2EXB841的典型應(yīng)用圖3為官方給出的EXB841的典型應(yīng)用電路。由于IGBT集電極在開通和關(guān)斷過程中，產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG有利于其安全工作。如果RG偏大，則開通關(guān)斷時間延長，使得開通能耗增加；相反，則使得di/dt增加，容易產(chǎn)生誤導通。其中表1中給出了RG的相關(guān)取值。圖中電容用來吸收由電源連接阻抗引起的供電變化，并不是電源的供電濾波電容，取值參考表1。6腳過電流保護取樣信號連接端，通過快恢復(fù)二極管接IGBT集電極，可防止電機反電勢回流。14、15腳接驅(qū)動信號，一般14腳接脈沖形成部分的地，15腳接輸入信號的正端，15腳輸入電流一般應(yīng)該小于20mA，所以在15腳前加限流電阻。2.3EXB841/840驅(qū)動模塊過流保護的缺點過流保護閥值過高：由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，EXB841判定過流的主要依據(jù)是6腳電壓6腳電壓U6不僅和Uce有關(guān),還和二極管VD2的導通電壓Ud及Ue有關(guān)，VD2在0506 V時即可開通，故過流保護閾值Uce0=u6-Ud-Ue=13 V-0.6 V-5.1 V=7.3 V。通常IGBT在通過額定電流時導通壓降Uce為3.5V,當Uce=Uce0=7.5 v時。IGBT已嚴重過流，對應(yīng)電流約為額定電流的23倍，因此，應(yīng)降低Uce0。負偏壓不足：ExB841為了防止較高dv/dt引起起IGBT誤動作設(shè)置了負柵壓，實際負柵壓值一般不到-5 V在大功率臭氧電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中，電磁干擾使負柵壓信號中存在隨工作電流增大而增大的干擾尖鋒脈沖，其值可超過6 V，甚至達到89 V，能導致截止的IGBT誤導通，造成橋臂直通因此，有必要適當提高負偏壓實際表明，在合理布局的基礎(chǔ)上，需采用8 V左右的負偏壓。存在虛假過流：一般大功率IGBT的導通時間ton在1s左右。實際上，IGBT導通時尾部電壓下降是較慢的，實驗表明，當工作電壓較高時，Uce下降至飽合導通壓降約需45s（包含驅(qū)動芯片與IGBT），而過流檢測的延遲時間約為2.7s因此，在IGBT開通過程中，若過流保護動作閾值太高，會出現(xiàn)虛假過流為了識別真假過流，5腳的過流故障輸出信號應(yīng)延時5s，以便外部保護電路對真正的過流進行保護，在EXB841完成內(nèi)部軟關(guān)斷后再封鎖外加PWM信號。過流保護無自鎖功能：在過流保護時，EXB841對IGBT進行軟關(guān)斷，并在5腳輸出故障保護信號，但不能封鎖輸入PWM控制信號。3SD315A集成驅(qū)動模塊3.1SD315A驅(qū)動芯片的內(nèi)部特性及其原理SD315A是瑞士CONCEPT公司生產(chǎn)的用來驅(qū)動和保護IGBT的驅(qū)動模塊，采用+15V單電源供電，內(nèi)部集成有過流保護單元。當SCALE驅(qū)動器用15V供電的時候，門極輸出土15V。負的門極電壓由驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生。即在驅(qū)動IGBT時柵極與源極之間開通時正偏壓為+15V，關(guān)斷時的負偏壓為-15V。這點可以避開EXB481中的負偏壓不足的問題。SD315A能輸出很大的峰值電流，具有很強的驅(qū)動能力，和隔離電壓能力，適合于驅(qū) 動等級為1200V/1700V極其以上的兩個單管或一個半橋式的雙單元大功率IGBT模塊。其中在作為半橋驅(qū)動器使用的時候，可以很方便地 設(shè)置死區(qū)時間。SD315A內(nèi)部主要有三大功能模塊構(gòu)成，分別是LDI（Logic To Driver Interface，邏輯驅(qū)動轉(zhuǎn)換接口）、IGD（Intelligent Gate Driver，智能門極驅(qū)動）和輸入與輸出相互絕緣的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如圖4所示。圖4 SD315A內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖控制回路產(chǎn)生的PWM信號一般不能簡單通過變壓器傳送，尤其是在很大的頻率變化或者占空比變化時，邏輯驅(qū)動接口單元LDI就是為此設(shè)計的，其主要功能如下：用戶提供一個簡單的界面，每個信號的輸入都具有施密特觸發(fā)特性；簡單匹配使用的邏輯電平（5-15V）；在半橋模式時可以產(chǎn)生所需要的死區(qū)時間，也可以屏蔽這個功能。把送來的脈沖信號進行編碼以便通過脈沖變壓器傳送；對傳送過來的狀態(tài)信號進行解碼，以傳輸給控制回路進行處理。在SD315A中，所有智能門極驅(qū)動的功能都集成在智能門極驅(qū)動單元IGD中，包括變壓器接口、過流及短路保護、封鎖時間邏輯、狀態(tài)確認、監(jiān)測供電電壓、其主要功能如下：對通過脈沖變壓器傳送過來的信號進行解碼；把PWM信號進行放大以驅(qū)動IGBT；檢測IGBT過流和短路狀態(tài)；產(chǎn)生響應(yīng)時間和封鎖時間；輸出信號到控制單元LDI。SD315A驅(qū)動器的各引腳功能如下：MOD引腳，模式選擇INA引腳、INB引腳，輸入通道SO1、SO2引腳，工作狀態(tài)輸出端RC1、RC2引腳，死區(qū)設(shè)置端3.2SD315A的典型應(yīng)用SD315A有兩種工作模式，分別是直接模式和半橋模式。模式選擇是通過引腳MOD來確定。當MOD引腳接高電平時，為直接模式，在直接模式中，兩個驅(qū)動通道是相互獨立的，這種模式下死區(qū)設(shè)置端RC1、RC2一定要同時接地。當MOD引腳接地時，為半橋模式，半橋模式時，INA引腳輸入PWM信號，INB引腳作為信號使能端，通過設(shè)置RC1、RC2輸出端的電阻和電容可達到死去時間設(shè)置的目的。高電平有效，SO1、SO2引腳連在一起輸出狀態(tài)檢測信號，當功率管正常時，信號為高，異常時，輸出為低電平。圖5 SD315A典型應(yīng)用電路為防止因關(guān)斷速度太快在IGBT的集電極上產(chǎn)生很高的反電動勢，在門極輸出 端采用如圖所示的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)開通和關(guān)斷速度的不同。開通時門極電阻為3.4，關(guān)斷時電阻為6.8，二極管采用快恢 復(fù)型這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。圖中Rth與Rg前者為關(guān)斷電阻，后者為開通電阻。使用這種結(jié)構(gòu)的電路可以實現(xiàn)開通和關(guān)斷的速度的不一樣，增加了用戶使用的靈活性。3.3SD315A的過流保護SD315A的過流保護機制和EXB841稍微有所不同，它們都是通過判斷IGBT集電極和源極之間的電壓Uce來判斷是否過流。但是兩者處理方法不一樣，EXB841采用的是軟關(guān)斷方法。而SD315A是由IGD單元直接發(fā)出過流保護信號給控制回路進行處理，同時SD315A發(fā)出封鎖信號封鎖輸出，保護IGBT。封鎖時間大約有1s左右，其過流保護動態(tài)閥值電壓可以很方便地通過改變外接參考電阻Rth來調(diào)整。4M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路4.1M57959L驅(qū)動芯片的內(nèi)部特性及其原理M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路采用雙電源（+15V，- 10V）供電，輸出負偏壓為-10V，輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短 路/過載保護和 封閉性短路保護功能，同時具有延時保護特性。其分別適合于驅(qū)動1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的IGBT。M57959L/M57962L在驅(qū)動中小功率的IGBT時，驅(qū)動效果和各項性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當其工作在高頻下時，其脈沖前后沿變的較差，即信號的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計，散熱不是很好，容易因過熱造成內(nèi)部器件的燒毀。圖6 M57959L內(nèi)部原理示意圖M57959L內(nèi)部由光電耦合電路、接口電路、保護電路、驅(qū)動電路四個部分組成，如圖6所示。其工作程序是：電源接通后首先自檢檢查IGBT是否短路或過載，若過載或短路，經(jīng)外接二極管流入檢測電路的電流增加，切斷IGBT的驅(qū)動信號，同時在8腳輸出高電平“過載/短路”指示信號；IGBT正常時，輸入信號經(jīng)光電耦合、接口電路、再經(jīng)驅(qū)動極功率放大后驅(qū)動IGBT。M57959L厚膜驅(qū)動電路具有以下特點：采用光耦實現(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開關(guān)運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側(cè)。如果采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，輸出負柵壓比較高，電源電壓的極限值為+18V/-15V，一般取+15V/-10V。信號傳輸延遲時間短，低電平-高電平的傳輸延時以及高電平-低電平的傳輸延時時間都在1.5s以下。(a) M57959L典型應(yīng)用電路示意圖 (b)時序曲線圖7 M57959L典型應(yīng)用4.2M57959L典型應(yīng)用M57959L典型應(yīng)用如圖7所示，電源電壓Vcc