三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動電路的分析

1、三相逆變器中 IGBT 的幾種驅(qū)動電路的分析 三相逆變器中 IGBT 的幾種驅(qū)動電路的分析 摘要：對 幾種三相逆變器中常用的 IGBT 驅(qū)動專用集成電路進行了詳 細的分析，對 TLP250 、EXB8 系列和 M579 系列進行了深入 的討論，給出了它們的電氣特性參數(shù)和內(nèi)部功能方框圖，還 給出了它們的典型應(yīng)用電路。討論了它們的使用要點及注意 事項。對每種驅(qū)動芯片進行了 IGBT 的驅(qū)動實驗，通過有關(guān) 的波形驗證了它們的特點。最后得出結(jié)論： IGBT 驅(qū)動集成 電路的發(fā)展趨勢是集過流保護、驅(qū)動信號放大功能、能夠外 接電源且具有很強抗干擾能力等于一體的復(fù)合型電路。 關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極晶體管；集成電

2、路；過流保護 1 前言 電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器 件得到了迅速的發(fā)展。 20 世紀 80 年代，為了給高電壓應(yīng)用 環(huán)境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣門極雙極 型晶體管（ IGBT ） 1 。在 IGBT 中，用一個 MOS 門極區(qū)來 控制寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了 一種具有功率 MOSFET 的高輸入阻抗與雙極型器件優(yōu)越通 態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件，它具有控制功率小、開關(guān) 速度快和電流處理能力大、 飽和壓降低等性能。 在中小功率、 低噪音和高性能的電源、逆變器、不間斷電源（UPS）和交 流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中，它是目前最為常見的一種器

3、件。 功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅(qū)動電路也在不斷地發(fā) 展，相繼出現(xiàn)了許多專用的驅(qū)動集成電路。 IGBT 的觸發(fā)和 關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵 極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時， 必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電 荷的要求、耐固性要求和電源的情況。 圖 1 為一典型的 IGBT 驅(qū)動電路原理示意圖。 因為 IGBT 柵極 ?發(fā)射極阻抗大， 故可 使用 MOSFET 驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)， 不過由于 IGBT 的輸入電 容較 MOSFET 為大，故 IGBT 的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多 MOSFET 驅(qū)動電路提供的偏壓更高。 對 IGBT 驅(qū)動

4、電路 的一般要求 23 ： 1）柵極驅(qū)動電壓 IGBT 開通時， 正向柵極電壓的值應(yīng)該 足夠令 IGBT 產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時 也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。在任何情況下， 開通時的柵極驅(qū)動電壓，應(yīng)該在1220V之間。當(dāng)柵極電壓 為零時， IGBT 處于斷態(tài)。但是，為了保證 IGBT 在集電極 ? 發(fā)射極電壓上出現(xiàn) dv/dt 噪聲時仍保持關(guān)斷，必須在柵極上 施加一個反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。 反向偏壓應(yīng)該在 515V 之間。 2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對 IGBT 柵極驅(qū)動相當(dāng)重要。 IGBT 的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的 充

5、放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對 IGBT 的動態(tài)特性產(chǎn) 生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快， 從而減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強 了器件工作的耐固性（可避免 dv/dt 帶來的誤導(dǎo)通） ，但與此 同時，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極發(fā)射 極電容和柵極驅(qū)動導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。 3）柵極驅(qū)動功率 IGBT 要消耗來自柵極電源的功率， 其 功率受柵極驅(qū)動負、正偏置電壓的差值 UGE、柵極總電荷 QG 和工作頻率 fs 的影響。電源的最大峰值電流 IGPK 為： 在本文中，我們將對幾種最新的用于 IGBT 驅(qū)動的集成電路 做一個詳細的介紹，討論其使用方

6、法和優(yōu)缺點及使用過程中 應(yīng)注意的問題。 2 幾種用于 IGBT 驅(qū)動的集成芯片 2.1TLP250 （TOSHIBA 公司生產(chǎn)） 在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相 關(guān)的性能控制，通過檢測直流母線上流入逆變橋的直流電流 即可，如變頻器中的自動轉(zhuǎn)矩補償、轉(zhuǎn)差率補償?shù)?。同時， 這一檢測結(jié)果也可以用來完成對逆變單元中 IGBT 實現(xiàn)過流 保護等功能。因此在這種逆變器中，對 IGBT 驅(qū)動電路的要 求相對比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅(qū)動芯片主要 有東芝公司生產(chǎn)的 TLP250 ，夏普公司生產(chǎn)的 PC923 等等。 這里主要針對 TLP250 做一介紹。 TLP250 包含一個 Ga

7、AlAs 光發(fā)射二極管和一個集成光探測 器，8 腳雙列封裝結(jié)構(gòu)。適合于 IGBT 或電力 MOSFET 柵極 驅(qū)動電路。圖 2 為 TLP250 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖，表 1 給出了其 工作時的真值表。 TLP250 的典型特征如下： 1）輸入閾值電流（ IF）：5mA （最大）； 2）電源電流（ ICC ）： 11mA （最大）； 3）電源電壓（VCC ）: 1035V ; 4）輸出電流（ IO）： 0.5A （最小） ； 5）開關(guān)時間（tPLH/tPHL ）: 0.5卩s （最大）； 6）隔離電壓： 2500Vpms （最?。?表 2 給出了 TLP250 的開關(guān)特性，表 3 給出了 TLP2

8、50 的推 薦工作條件。 注：使用 TLP250 時應(yīng)在管腳 8和 5間連 接一個0.1卩F的陶瓷電容來穩(wěn)定高增益線性放大器的工作， 提供的旁路作用失效會損壞開關(guān)性能，電容和光耦之間的引 線長度不應(yīng)超過 1cm。 圖 3 和圖 4 給出了 TLP250 的兩種典型的應(yīng)用電路。 在圖4中，TR1和TR2的選取與用于IGBT驅(qū)動的柵極電阻 有直接的關(guān)系，例如，電源電壓為 24V 時， TR1 和 TR2 的 Icmax 24/Rg。 圖 5給出了 TLP250 驅(qū)動 IGBT 時， 1200V/200A 的 IGBT 上電流的實驗波形（50A/10卩s）。可以看出，由于 TLP250 不具備過流保

9、護功能， 當(dāng) IGBT 過流時， 通過控制信號關(guān)斷 IGBT， IGBT 中電流的下降很陡，且有一個反向的沖擊。這 將會產(chǎn)生很大的 di/dt 和開關(guān)損耗， 而且對控制電路的過流保 護功能要求很高。 TLP250 使用特點： 1） TLP250 輸出電流較小，對較大功率 IGBT 實施驅(qū)動時， 需要外加功率放大電路。 2）由于流過 IGBT 的電流是通過其它電路檢測來完成的， 而 且僅僅檢測流過 IGBT 的電流，這就有可能對于 IGBT 的使 用效率產(chǎn)生一定的影響，比如 IGBT 在安全工作區(qū)時，有時 出現(xiàn)的提前保護等。 3）要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應(yīng)要快，一 般由過電流發(fā)生到

10、IGBT可靠關(guān)斷應(yīng)在10卩s以內(nèi)完成。 4）當(dāng)過電流發(fā)生時， TLP250 得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號， 對 IGBT 的柵極施加一負電壓，使 IGBT 硬關(guān)斷。這種主電 路的 dv/dt 比正常開關(guān)狀態(tài)下大了許多， 造成了施加于 IGBT 兩端的電壓升高很多，有時就可能造成 IGBT 的擊穿。 2.2EXB8.Series（FUJIELECTRIC 公司生產(chǎn)）隨著有些 電氣設(shè)備對三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身 的原因，在現(xiàn)有的許多逆變器中，把逆變單元 IGBT 的驅(qū)動 與保護和主電路電流的檢測分別由不同的電路來完成。這種 驅(qū)動方式既提高了逆變器的性能，又提高了 IGBT 的工作效 率

11、，使 IGBT 更好地在安全工作區(qū)工作。這類芯片有富士公 司的 EXB8.Series 、夏普公司的 PC929 等。在這里，我們主 要針對 EXB8.Series 做一介紹。 EXB8.Series 集成芯片是一種專用于 IGBT 的集驅(qū)動、保護 等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅(qū)動 用變頻器、伺服電機驅(qū)動、UPS、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工 業(yè)領(lǐng)域。具有以下的特點： 1） 不同的系列（標準系列可用于達到10kHz 開關(guān)頻率工作 的 IGBT ，高速系列可用于達到 40kHz 開關(guān)頻率工作的 IGBT ）。 2） 內(nèi)置的光耦可隔離高達 2500V/min 的電壓。 3） 單電源的

12、供電電壓使其應(yīng)用起來更為方便。 4） 內(nèi)置的過流保護功能使得IGBT 能夠更加安全地工作。 5） 具有過流檢測輸出信號。 6）單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式。 常用的 EXB8.Series 主要有：標準系列的 EXB850 和 EXB851 ，高速系列的 EXB840 和 EXB841 。其主要應(yīng)用場合 如表4所示。注：1）標準系列：驅(qū)動電路中的信號延遲W4 p, s 2）高速系列：驅(qū)動電路中的信號延遲w1.5 p s 圖 6 給出了 EXB8.Series 的功能方框圖。表 5 給出了 EXB8.Series 的電氣特性。表 6 給出了 EXB8.Series 工作時 的推薦工作

13、條件。 表 6EXB8.Series 工作時的推薦工作條件圖 7 給出了 EXB8.Series 的典型應(yīng)用電路。 EXB8.Series 使用不 同的型號，可以達到驅(qū)動電流高達400A，電壓高達1200V 的各種型號的 IGBT 。由于驅(qū)動電路的信號延遲時間分為兩 種：標準型（EXB850、EXB851 ） 4 卩 s,高速型（EXB840、 EXB841 ） 1卩s,所以標準型的IC適用于頻率高達10kHz 的開關(guān)操作，而高速型的 IC 適用于頻率高達 40kHz 的開關(guān) 操作。在應(yīng)用電路的設(shè)計中,應(yīng)注意以下幾個方面的問題： IGBT 柵?射極驅(qū)動電路接線必須小于1m； IGBT 柵?射極

14、驅(qū)動電路接線應(yīng)為雙絞線； 如想在 IGBT 集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖,那么增加 IGBT柵極串聯(lián)電阻（Rg）即可； 應(yīng)用電路中的電容 C1 和 C2 取值相同,對于 EXB850 和EXB840來說，取值為 33卩F，對于EXB851和EXB841 來說，取值為47卩F。該電容用來吸收由電源接線阻抗而引 起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。 EXB8.Series 的使用特點： 1） EXB8.Series 的驅(qū)動芯片是通過檢測 IGBT 在導(dǎo)通過程中 的飽和壓降 Uce 來實施對 IGBT 的過電流保護的。 對于 IGBT 的過電流處理完全由驅(qū)動芯片自身完成,對于電機驅(qū)動用的 三相逆變器

15、實現(xiàn)無跳閘控制有較大的幫助。 2） EXB8.Series 的驅(qū)動芯片對 IGBT 過電流保護的處理采用 了軟關(guān)斷方式,因此主電路的 dv/dt 比硬關(guān)斷時小了許多, 這對 IGBT 的使用較為有利,是值得重視的一個優(yōu)點。 3）EXB8.Series 驅(qū)動芯片內(nèi)集成了功率放大電路,這在一定 程度上提高了驅(qū)動電路的抗干擾能力。 4） EXB8.Series 的驅(qū)動芯片最大只能驅(qū)動 1200V/300A 的 IGBT ，并且它本身并不提倡外加功率放大電路， 另外，從圖 7 中可以看出， 該類芯片為單電源供電， IGBT 的關(guān)斷負電壓 信號是由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的 5V 信號，容易受到外部的干擾。 因此對

16、于 300A 以上的 IGBT 或者 IGBT 并聯(lián)時，就需要考慮 別的驅(qū)動芯片，比如三菱公司的 M57962L 等。 圖 8 給出了 EXB841 驅(qū)動 IGBT 時，過電流情況下的實驗波 形?？梢钥闯?，正如前面介紹過的，由于EXB8.Series 芯片 內(nèi)部具備過流保護功能，當(dāng) IGBT 過流時，采用了軟關(guān)斷方 式關(guān)斷 IGBT ，所以 IGBT 中電流是一個較緩的斜坡下降， 這 樣一來， IGBT 關(guān)斷時的 di/dt 明顯減少，這在一定程度上減 小了對控制電路的過流保護性能的要求。 2.3M579.Series （ MITSUBISHI 公司生產(chǎn)） M579.Series 是日本三菱公

17、司為 IGBT 驅(qū)動提供的一種 IC 系 列，表 7 給出了這種系列的幾種芯片的基本應(yīng)用特性（其中 有者為芯片內(nèi)部含有 Booster 電路）。 在 M579.Series 中，以 M57962L 為例做出一般的解釋。 隨著 逆變器功率的增大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動信號的抗干擾能力顯 得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅(qū)動信號關(guān)斷 IGBT 時的負電壓， M57962L 的負電源是外加的（這點和 EXB8.Series 不同），所以實現(xiàn)起來比較方便。它的功能框圖 和圖 6所示的 EXB8.Series 功能框圖極為類似，在此不再贅 述。圖 9 給出了 M57962L 在驅(qū)動大功率 IGBT 模塊時的

18、典型 電路圖。在這種電路中， NPN 和 PNP 構(gòu)成的電壓提升電路 選用快速晶體管(tf 200ns),并且要有足夠的電流增益以 承載需要的電流。 在使用 M57962L 驅(qū)動大功率 IGBT 模塊時， 應(yīng)注意以下三個方面的問題： 1) 驅(qū)動芯片的最大輸出電流峰值受柵極電阻Rg 的最小值限 制，例如，對于 M57962L來說，Rg的允許值在 5Q左右， 這個值對于大功率的 IGBT 來說高了一些，且當(dāng) Rg 較高時， 會引起IGBT的開關(guān)上升時間td(on)、下降時間td(off)以及開 關(guān)損耗的增大，在較高開關(guān)頻率( 5kHz 以上)應(yīng)用時，這些 附加損耗是不可接受的。 2) 即便是這些附加損耗和較慢的開關(guān)時間可以被接受，驅(qū) 動電路的功耗也必須考慮，當(dāng)開關(guān)頻率高到一定程度時(高 于 14kHz) ，會引起驅(qū)動芯片過熱。 3) 驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷會使大功率IGBT 模塊的開關(guān)效率降 低，這是因為大功率 IGBT 模塊的柵極寄生電容相對比較大， 而驅(qū)動電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷 還