IGBT集成驅(qū)動(dòng)電路及其功率擴(kuò)展

1、第 28卷 第 3期 2005年 9月電子器件C hi nese Journal of E l ect ron D evi cesV ol .28N o.3 Sep. 2005Integ rate D riv e r C ircu its o f IG B T and Ex tende d Po w erDENG Y u -hang , HAN M in g -wu , Y ANG W e i(De partm ent o f Ele c tric al Engine ering , Harbin Institute o f Te chno log y , H arb in 150001, C

2、h inaAbstrac t :A ccordi ng to the charact eri sti cs of hi gh -pow er I G B T i n pr act i caluse , f i ve com m on i nt egrat e I G B T dri ve ci rcui ts E X B 841,M 57962,H L 402,H C P L 316J,2S D 315A are i ntroduced. T he w orki ng pri nci pl e and prot ecti on course f or over current of each

3、ci rcui t are anal yzed . A vari ety of extended ci rcui ts f or dri vi ng h i gh -pow er I G B T are present.Ke y wo rds :I G B T ; dri ve ci rcui t ; over current protect i on ; ext ended ci rcui tEEAC C :6140IGBT 集 成 驅(qū) 動(dòng) 電 路 及 其 功 率 擴(kuò) 展鄧宇航,韓明武,楊 威(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系 ,哈爾濱 150001摘 要 :針對(duì)大容量 I G B T 的實(shí)際應(yīng) 用

4、特點(diǎn),介紹了 E X B 841, M 57962, H L 402, H C P L 316J ,2SD 315A 五種常用 的集成專(zhuān)用驅(qū) 動(dòng)電路 ,分析了各自的工作原 理和過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作過(guò)程 ,給出了多種適于驅(qū)動(dòng)大容量 I G B T 的實(shí)用擴(kuò)展電路。關(guān)鍵詞 :IG B T ;驅(qū)動(dòng)電路 ;過(guò)電流保護(hù) ;擴(kuò)展電路中圖分類(lèi)號(hào) :TP 277; TN 941 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1005-9490(2005 03-053903經(jīng)過(guò) 20多年的發(fā)展, I G B T 表現(xiàn)出 了很強(qiáng)的 生 命力,其開(kāi)關(guān) 性能 經(jīng)歷 五代 改進(jìn)也 日臻完 善,同時(shí), IG B T 的容量等 級(jí)也在 快速 提

5、升, 單 管電壓已 達(dá) 6500V ,無(wú)均流并聯(lián)電流已達(dá) 3300A ,已成為基本 上取代 了 G T R ,并在很 多應(yīng)用 領(lǐng) 域 挑戰(zhàn) G T O 的 電 力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件 1-2 。驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)會(huì)對(duì) IG B T 的運(yùn)行 性能 產(chǎn)生顯 著影響,如 開(kāi)關(guān) 時(shí)間、 開(kāi)關(guān) 損耗、 短路電流 保護(hù)能力 和抗 D v /D t 的能力 等。因 此,根據(jù) I G B T 的 型號(hào)類(lèi)型和參數(shù)指標(biāo)合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于充分發(fā) 揮 IG B T 的性能是十分重要的 3-4 。1IG B T 驅(qū)動(dòng)電路的基本要求IG B T 柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備如下基本功能 : 提供足夠的柵極電壓來(lái)開(kāi)通 I G B T

6、并在 開(kāi)通 期間保持這個(gè)電壓。 在 最初開(kāi) 通階 段,提供足 夠的 柵極驅(qū) 動(dòng)電 流 來(lái)減少開(kāi)通損耗和保證 IG B T 的開(kāi)通速度。 在 關(guān)斷期 間,提供 一個(gè)反 向偏 置電壓 來(lái)提 高 IG B T 抗暫 態(tài) D v /Dt 的能 力和 抗 E M I 噪 聲的 能 力 并減少關(guān)斷損耗。 在 IG B T 功率電路和控制電路之間提供 電氣 隔 離。 對(duì) IG B T 逆 變 器, 一 般要 求的 電氣 隔離為 2500V 以上。 在 短路故 障發(fā) 生時(shí),驅(qū)動(dòng) 電路 會(huì)通過(guò) 合理 的柵極 電壓動(dòng) 作進(jìn) 行 I G B T保護(hù),并發(fā) 出故障 信號(hào) 到控制系統(tǒng)收稿日期 :2005-02-05作者

7、簡(jiǎn)介 :鄧宇航 (1980-,男,碩士研究生 ,研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù) , dengyh hi t . edu . cn ;韓明武(1954-,男,副教授 ,研究方向?yàn)榇蠊β孰娔荛_(kāi)關(guān)變換的控制和應(yīng)用技術(shù) , hanm w 6361sohu . com2 幾種常用 IG B T 集成驅(qū)動(dòng)電路目前 I G B T 的 驅(qū)動(dòng) 電路 主要 有分 立元件、 集 成 電路和厚膜集成電路等形 式。集成和厚膜驅(qū)動(dòng)電路 的使用更加方便 ,但各種產(chǎn)品的功能、 性能和適用條 件也 各不相同。2. 1 EX B 841厚膜驅(qū)動(dòng)電路日本 F U JI 公 司生產(chǎn) 的 E X B 840/841具 有單 電 源、 正負(fù)偏

8、壓、 過(guò) 流檢 測(cè) 和軟 關(guān)斷 保護(hù) 等主要 功能。 E X B 841較 840的驅(qū) 動(dòng)能力 更強(qiáng),可以直接 使用,也 可以 通 過(guò)電 路 擴(kuò)展 來(lái) 驅(qū)動(dòng) 大 容量 I G B T , 如圖 1所 示 擴(kuò)展 電路,可 驅(qū) 動(dòng) 1000A /1200V 等 級(jí) 的 I G -圖 1 由 E X B 841 擴(kuò)展 的大容 量 IG B T 驅(qū)動(dòng) 電路由于驅(qū)動(dòng)大容量的 IG B T 需要提供較大的 動(dòng)態(tài) 柵極 驅(qū)動(dòng)電 流以 保證其 開(kāi)關(guān) 速度,而 E X B 841內(nèi)部 的驅(qū)動(dòng) 管輸出能 力有 限,尤其是 在開(kāi) 關(guān)頻率 較高 的情況 下,必須通過(guò)外部驅(qū)動(dòng)管來(lái)擴(kuò)展功率。E X B 841的負(fù)偏壓 是

9、由內(nèi)部的 5.1V 穩(wěn)壓管 提 供的。 但由于內(nèi)部三極管存在 導(dǎo)通電阻和壓降 ,實(shí)際 其負(fù)偏壓約在 4.5V 左右。 當(dāng)母線(xiàn)電壓較高時(shí) (如600V , 容 易在 負(fù)柵 壓信 號(hào)中出現(xiàn) 很大 的尖峰干 擾,引起 IG B T 誤動(dòng)作。 圖 1中外接 的穩(wěn)壓管 D 2(5.6V 用來(lái)保證足夠的負(fù)偏壓。E X B 841的過(guò) 流檢測(cè) 是依據(jù) IG B T 的集 射極 飽 和電壓與 通態(tài)電 流成比例 的原理設(shè) 計(jì)的。 I G B T 導(dǎo) 通時(shí),通態(tài)電流增大 , U C E 增高,當(dāng) U C E 高 于 6腳檢 測(cè) 電平 時(shí),過(guò)流 保 護(hù)啟 動(dòng),5腳輸 出過(guò) 流保 護(hù) 信 號(hào),延 時(shí)一定時(shí)間后軟關(guān)斷

10、IG B T 。 U 6=U C E +U D （檢 測(cè)二 極管 D 1壓 降,對(duì) 于不同 容量 的 I G B T 及不 同的 保 護(hù)過(guò)流值 ,擴(kuò)展后可加入與 D 1 串聯(lián)的穩(wěn)壓管來(lái)提高 過(guò)流檢測(cè)電平。2. 2 M57962 厚膜驅(qū)動(dòng)電路M 57962 是日 本 M i tsubi shi 電 氣公司的 厚膜 驅(qū) 動(dòng)電路產(chǎn)品。 與 E X B 841 同理,可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輸出功率 的擴(kuò)展 ,如圖2所示。圖 2 由 M 57962擴(kuò)展 的大容 量 IG B T 驅(qū)動(dòng) 電路M 57962采用 +15V 和-10V 電源 供電, I G B T 關(guān) 斷 時(shí) 可 輸 出-10V 的 偏 壓, 在 頻 率

11、 較 高,負(fù) 載 過(guò) 大,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣的情況下 ,關(guān)斷更為可靠。M 57962 具 有封閉性 軟關(guān)斷 功能。通過(guò) 外部 電 容可 設(shè)定 3-6 s的 允 許短 路 時(shí) 間 , 以 濾除 瞬間 尖峰擾動(dòng) ;超出允許時(shí)間后 ,立即降低柵極電壓進(jìn)行軟 關(guān)斷并發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào) , 同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器 ;延 時(shí) l 2m s 后,在確認(rèn) 保護(hù)電路已經(jīng)動(dòng) 作（輸入 低電 平后,才 會(huì)解除保護(hù)動(dòng)作 ,恢復(fù)正常工作。 因此軟關(guān) 斷過(guò)程不會(huì)被輸入的關(guān)斷信號(hào)所打斷。柵極 電阻 的選 擇對(duì) IG B T 驅(qū) 動(dòng)相 當(dāng) 重要,影 響 著開(kāi)通與關(guān)斷的性能。 R G 小時(shí),可減小開(kāi)關(guān)時(shí) 間與 開(kāi)關(guān)損耗 ,但浪涌電 壓高;

12、 R G 大時(shí),則相反。一 般先 根據(jù) 廠(chǎng)家手冊(cè)上推薦的數(shù)據(jù) ,在 1倍與 10倍之間選 取,再經(jīng)試驗(yàn)波形來(lái)分析確定。 2. 3 HL 402 厚膜驅(qū)動(dòng)電路H L 402A （B 是陜 西高 科電 力 電子 有 限責(zé) 任 公 司的厚 膜產(chǎn)品 ,其內(nèi) 部含 一 個(gè)具 有靜 電屏蔽 層的 高 速光 耦合器,因 而使 H L 402具有 抗干 擾 能力 強(qiáng),響 應(yīng) 速度 快 ,信 號(hào)隔離 電壓高等 優(yōu)點(diǎn)。 H L 402 的輸 出 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 幅 值 較 高,其 正向 驅(qū) 動(dòng)電 壓可 達(dá) 1517V , 負(fù)向 驅(qū) 動(dòng) 電 壓 可達(dá) 1012V , 適 合于 驅(qū) 動(dòng) 150A/1200V 功率等級(jí)

13、的 I G B T 。 H L 402 的典型接 線(xiàn) 如圖 3 所示 5。圖 3 由 H L 402 構(gòu)成 的大容 量 IG B T 驅(qū)動(dòng) 電路H L 402 具有先降 柵壓、 后軟關(guān) 斷的雙重 保護(hù) 功 能 ,其降柵壓 延遲 時(shí)間、 降柵 壓時(shí) 間、 軟關(guān)斷 斜率 均 可通過(guò)外接電容器 C 5、C 6、 C 7 進(jìn)行整 定 ,因而能 適應(yīng) 不同飽和壓降 IG B T 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。在軟關(guān) 斷 及降 柵壓的 同時(shí)還將 輸出 報(bào)警信 號(hào) ,以實(shí) 現(xiàn)對(duì)封 鎖脈 沖或分?jǐn)嘀骰芈返谋Ｗo(hù)。 2. 4 HC PL316J 集成驅(qū)動(dòng)電路H C P L 316J 是 美 國(guó) H P 公司 生 產(chǎn) 的 采 用

14、標(biāo) 準(zhǔn) S O L -16表 面 貼裝 的 集 成 驅(qū) 動(dòng)電 路 產(chǎn) 品,典 型 的應(yīng) 用電路如圖4所示。圖 4 由 H C P L 316J 集成 電路 構(gòu)成的 驅(qū)動(dòng)電 路H C P L 316J 的 輸出部分 多采 用 +15V 和-5V 雙電源供電 ,用于產(chǎn)生正負(fù)脈 沖輸出,輸出管為三重 復(fù)合達(dá)林頓結(jié) 構(gòu),集電極開(kāi)路輸 出, 可以直接驅(qū)動(dòng) 150A /1200V 的 IG B T ,最大開(kāi) 關(guān)速度 500ns,并具有驅(qū) 動(dòng)信號(hào)光 耦隔離, C O M S /T T L 電平 兼容,欠 壓保護(hù),過(guò)流軟關(guān)斷等功能。H C P L 316J 輸 入、 輸 出部 分各自 排 列在集 成電 路的兩

15、邊。 輸入部分需 要 1個(gè) 5V 電源,由 P W M 電 路產(chǎn)生的控制信號(hào)加在第 1腳, R E SE T 腳低電平有 效。 14腳通過(guò)二 極管 D 1檢 測(cè) I G B T 集電極電壓 來(lái) 判斷過(guò)流故障 ,閥值為 7V 。 發(fā)生過(guò)流時(shí) ,IG B T 軟關(guān) 斷,故障信號(hào)輸出由第 6腳送至 P W M 的封鎖端,用 以及時(shí) 關(guān)閉 P W M 輸出。 2. 5 2S D315A 驅(qū)動(dòng)模塊瑞士 C O N C E P T 公司推出 的 2SD 315A 是一 種 集成 度很高 的驅(qū) 動(dòng)模塊, 內(nèi) 部包 含兩 路 I G B T 驅(qū) 動(dòng) 電 路,可 以 用 于 驅(qū) 動(dòng) 1700V 的 I G B

16、T , 它 具 有 安 全 性、 智能性與易用性的特點(diǎn)。2SD 315A 的內(nèi) 部 電路 主 要可 分 為 三大 功 能 模 塊,如圖 5 所示。 第一塊是 L D I(Logi c T o D ri ver i n-terf ace , 邏輯 驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)換 接口 ,它 主要 用 于接 收控 制 側(cè) 的 P W M 信號(hào),經(jīng)過(guò)處理后傳送給下一級(jí) ;第二塊 是 I G D (Intel l i gent G at e D ri ver,智能門(mén)極驅(qū)動(dòng) 器, 通過(guò)高頻隔離 變壓器從 L D I 接收 控制信號(hào),經(jīng)放 大 等處 理 后輸 出 15V /15A (瞬時(shí) 電流的驅(qū)動(dòng)信 號(hào), 用于 驅(qū)動(dòng)側(cè)大

17、功率 IG B T 的 控制, 每 只 2SD 315A 內(nèi) 部包 含兩個(gè) IG D 模塊; 第三 塊是 輸入 與輸 出 相互 絕緣 的 D C /D C 轉(zhuǎn)換 器,它 的主要 功能 是給 兩路 輸 出通道 提供彼此 隔 離 的供 電。圖 中 的 V D D 和 V D C 都為+15V ,分 別為 控制 側(cè)輸入 電 路和 D C /DC 轉(zhuǎn)換 器供電, 驅(qū)動(dòng) 模塊使 用單 一的 15V電 源 產(chǎn) 生 +15V 和-15V 電 壓 , 用 于 驅(qū) 動(dòng) 外 部 I G -B T 。 采 用 變 壓 器 耦 合隔 離, 工作 頻率 可高于 100k H z ,輸入輸出間交流耐壓可達(dá) 4000V 。

18、圖 5 由 2SD 315A 驅(qū)動(dòng) 模塊構(gòu) 成的驅(qū) 動(dòng)電 路以上討論的幾種驅(qū)動(dòng)電路均具有一定的內(nèi)部保 護(hù)功能,實(shí)際 應(yīng)用時(shí) 還需 要根 據(jù) 具體 的電路 拓?fù)?結(jié) 構(gòu)、 參數(shù)以及分布參數(shù)設(shè)置有效的緩沖電路 ,以減小 開(kāi)關(guān)器 件的電壓、 電流和熱應(yīng)力。 必要時(shí)還應(yīng)外加獨(dú) 立的電壓、 電流和熱檢測(cè)和保護(hù)電 路。3 結(jié)論文中討論的 5 種驅(qū)動(dòng)電路各有功能特點(diǎn)和適用 條件。 在短路故障發(fā)生時(shí) ,按照 合理的時(shí)序進(jìn)行軟關(guān) 斷動(dòng) 作,是 避免 故障 擴(kuò)大化 并導(dǎo) 致 I G B T 損 毀的 普 遍措 施。在開(kāi)、 關(guān)過(guò)程中,提供足夠的動(dòng)態(tài)柵極驅(qū)動(dòng) 電流是提高 IG B T 開(kāi)關(guān)速度 ,降低 開(kāi) 關(guān)損耗的關(guān)鍵 , 用于 驅(qū)動(dòng)大 容量 IG B T 時(shí) ,可以 通過(guò) 外 部電 路擴(kuò) 展 其驅(qū)動(dòng)功 率。參考文獻(xiàn) :1 Steffen B ernet . R ecent D evel opm ents of H i gh P ow er C onvert-ers for Industry and T racti on A ppl i cati ons J .IE E E T rans . on P ow er E l ectroni cs, N o