IGBT驅(qū)動電路原理及保護電路

1、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，對IGBT驅(qū)動電路的基本要求如下:(1)提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵隼镉?，使IGBT可靠的開通和關(guān)斷。(2)提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時更遹，使IGBT能迅速建立柵控電場而 導通。(3)盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率。(4)足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣。(5)具有靈敏的過流保護能力。第一種驅(qū)動電路EXB841 /840EXB841工作原理如圖1,當EXB841的14腳和15腳有10mA的電流流過1us 以后IGBT正常開通，VCE下降至3V左

2、右，6腳電壓被鉗制在8V左右，由 于VS1 穩(wěn)壓值是13V,所以不會被查箜，V3不導通，E點的電位約為20V,二極管VD,截 止，不影響V4和V5正常五"當14腳和15腳無電流流過，則V1和V2導通，V2的導通使V4截止、V5 導通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，引腳3電位下降至0V,是IGBT柵一射 間承受5V左右的負偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時VCE的迅速上升使引腳6“懸空”.C2 的放電使得B點電位為0V,則VS1仍然不導通，后續(xù)電 路不動作，IGBT正常關(guān) 斷。如有過流發(fā)生，IGBT的VCE過大使得VD2截止，使得VS1擊穿，V3導通, C4通過R7放電，D點電位下降，從

3、而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低，完成 慢關(guān)斷，實現(xiàn)對IGBT的保護。由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，EXB841判 定過電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE有關(guān)，還和二極管 VD2的導通電壓Vd有關(guān)。典型接線方法如圖2,使用時注意如下幾點：a、IGBT柵-射極驅(qū)動回路往返接線不能太長（一般應該小于1m）,并且應 該采用雙絞線接法，防止干擾。b、由于IGBT集電極產(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。但是柵極曳晅RG不能太大也不能太小，如果RG 獲? 則開通關(guān)斷時間延長，使得開通能耗增加；相反，如果RG太小，則使得di/dt 增加，容易

4、產(chǎn)生誤導通。c、圖中電容C用來吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化,并不是也 源的供電濾波電容,一般取值為47 F.d、6腳過電流保護取樣信號連接端，通過快恢復二極管接IGBT集電極。e、14、15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端的輸入電流一般應該小于20mA,故在15腳前如限流 不阻。f為了保證可靠的關(guān)斷與導通，在柵射極加穩(wěn)壓二極管。駛動信號153EXB841cFERA34To絞線lgL_ 20V0V47 u4.7k31 h- 過電流保護輸出第二種M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路采用雙電源(+15V

5、,-10V)供電，輸出負偏 壓為T0V,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。且厚膜部采用印刷電路板 設計，散熱不是很好，容易因過熱造成部器件的燒毀。日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅(qū)動芯片它可以作為600V/200A 或者1200

6、V/100A的IGBT驅(qū)動。其最高頻率也達40KHz,采用雙電源 供電(+15V 和7 5V)輸出電流峰值為± 2A, M57959L有以下特點：(1)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)。(2)如果采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，揄出負柵壓比較高，電源電壓的極限值為 +18V/-15V, 一般取+15V/T0V.(3)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1.5ns以下。(4)具有過流保護功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT 是否過流，一

7、旦過流，M57962L就會將對IGBT實施軟關(guān)斷，并輸出過 流故障信 號。（5） M57959的部結(jié)構(gòu)如圖所示，這一電路的驅(qū)動部分與EXB系列相仿， 但是過流保護方面有所不同。過流檢測仍采用電壓采樣，電路特點是采用柵壓 緩降，實現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷，避免了關(guān)斷中過電壓和大電流沖擊；另外，在關(guān)斷過程中，輸入控制信號 的狀態(tài)失去作用，既保護關(guān) 斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當保護開始時，立即送 出故障信號，目的是切斷控制信號，包括電路中其它有源器件。第三種2SD315A集成驅(qū)動模塊集成驅(qū)動模塊采用+15V單電源供電，部集成有過流保護電路，其最大的特點 是具有安全性、智能性與易用性。2SD315A能榆出很大的

8、峰 值電流（最大瞬時輸 出電流可達± 15A）,具有很強的驅(qū)動能力和很高的隔離電壓能力（4000V） o 2SD315A具有兩個驅(qū)動輸出通道，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，可以很方便地設置死區(qū)時間。2SD315A部主要有三大功能模塊構(gòu)成，分別是LDI （Log" T。Driver Interface, 邏輯驅(qū)動轉(zhuǎn)換接口）、IGD（Intel I igent Gate Dr i ver,智能門極驅(qū)動）和榆入與輸 出相互絕緣的DC/DC轉(zhuǎn)換器。當外部輸入PWM信號后,由LDI

9、進行編碼處理,為 保證信號不受外界條件的干擾，處理過的信號在進入IGD前需用高頻隔離變星 暨_進行電氣隔離。從隔離變壓器另一側(cè)接收到的信號首先在IGD單元進行解碼, 并把 解碼后的PWM信號進行放大（士15V/±15A）以驅(qū)動外接大功率_§工當智能 門極驅(qū)動單元IGD的過流和短路保護電翳檢測到IGBT發(fā)生過 流和短路故障時， 由封鎖時間邏輯電路和狀態(tài)確認電路產(chǎn)生相應的響應時間和封鎖時間，并把此時 的狀態(tài)信號進行編碼送到邏輯控制單 元LDI.LDI單元對傳送來的IGBT工作狀態(tài) 信號進行解碼處理，使之在控制回路中得以處理。為防止2SD315A的兩路輸出驅(qū) 動信號相互干擾，由D

10、C/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的電遮供電。SCALE驅(qū)動器模塊2SD315使用時注意事項：a、工作模式驅(qū)動模塊的模式選擇端MOD外接+15V曳逐，榆入引腳RC1和RC2接地, 為直接工作模式。邏輯控制里士采用+15V,信號榆入管腳InA、InB連 接在一起 接收來自單片機的 脈沖信號。2SD315A的S01和S02兩只管腳輸出通道的工作 狀態(tài)。當MOD接地時,MOD接地。通常半橋模式都是驅(qū)動一個直流母線上的一個 橋臂，為避免上下橋臂直通必須設置死區(qū)時間，在死區(qū)時間里兩個管子同時關(guān) 斷。因此，RC 1, RC2端子必須根據(jù)要求外接RC網(wǎng)絡來產(chǎn)生死區(qū)時間，死區(qū)時 間一般可以從100n,到幾個ms.圖中

11、所示的RC 1, RC2分別連接10k.的電阻和 1OOpF的電容,這樣產(chǎn)生的死區(qū)時間大約是500ns.b、端口 VL/Reset這個端子是用來定義具有施密特性質(zhì)的輸入InA和InB的，使得輸入在 2/3VL時開通，在I/3 VL時作為關(guān)斷信號。當PWM信號是TTL電平時，該端子 連接如圖3-5所示，當輸入InA和InB信號為15V的時候，該端子應該通過一個 大約1K左右的曳國連接到+15V電源上，這樣開啟和關(guān) 斷電壓分別應該是lov 和5V.另外，輸入UL/Reset端還有另外的功能：如果其接地，則邏輯驅(qū)動接口 單元I.DI001的錯誤信息被清除。C、門極輸出端門極輸出Gx端子接電力半導體的

12、門極，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)動器部產(chǎn)生。使用如圖3-6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。d、布局和布線驅(qū)動器應該盡可能近的和功率半導體放在一起，這樣從驅(qū)動器到電力顯 體管的引線就會盡可能的短,一般來說驅(qū)動器的連線盡量不要長 過10厘米。同 時一般要求到集電極和發(fā)射極的引線采用絞合線，還有可以在IGBT的門極和發(fā) 射極之間連接一對齊納穩(wěn)壓二極管（1518V）來保護IGBT不會被擊穿。驅(qū)動模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地, 為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V,信號輸入管

13、腳InA、InB連 接在一起 接收來自單片機的脈沖信號，進行同步控制。2SD315A的S01和S02兩只管腳外 接三極管和光耦用來向單片機輸出兩輸出通道的 工作狀態(tài)，其輸出端結(jié)構(gòu)皆為 集電極開路榆出，可以通過外接上拉電阻以適用于各種電平邏輯。在管腳S01、 S02和電源之間，以及VisoX和LSX之間加發(fā)光二極管進行故障指示。正常情況 下S01和S02輸出皆為高電平，上電后D3和D4先亮，延時幾秒后熄滅,同時 D8和D15發(fā)亮。當檢測到故障信號時，S01和S02的輸出電平被拉低到地，即D3和D4 發(fā)亮，同時D8和D15閃爍。2SD315A是通過監(jiān)測UCE(sat)來判斷回路是否 短 路和過流，

14、當檢測到一路或兩路發(fā)生過流現(xiàn)象時，檢測電路會把異常狀態(tài)回饋到 驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊部會產(chǎn)生一個故障信號并將它 鎖存，鎖存時間為1s,在這 段時間，驅(qū)動模塊不再輸出信號，而是將兩組IGBT及時關(guān)斷予以保護。同時， 狀態(tài)輸出管腳S01和S02的高電平 被拉低，光耦TLP521導通，兩路狀態(tài)信號通 過或門74LS32送給單片機。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3. 11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3.40,關(guān)斷時電阻為6. 8Q,二極管采用快恢 復型， 這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。這是一縮略圖，點擊可放大。按住CTR

15、L,滾 動鼠標滾輪可自由縮放IGBT短路失效機理IGBT負載短路下的幾種后果(1)超過熱極限：半導體的本征溫度極限為250,當結(jié)溫超過本征溫 度，器件將喪失阻斷能力，IGBT負載短路時，由于短路電流時結(jié)溫升高，一旦 超過其熱極限時，門級保護也相應失效。(2)電流擎住效應：正常工作電流下，IGBT由于薄層電阻Rs很小，沒 有電流擎住現(xiàn)象，但在短路狀態(tài)下，由于短路電流很大，當Rs上的壓降高于 0.7V時，使J1正偏，產(chǎn)生電流擎住，門級便失去電壓控制。(3)關(guān)斷過電壓：為了抑制短路電流，當故障發(fā)生時，控制電路立即撤 去正門級電壓，第HGBT關(guān)斷，短路電流相應下降。由于短路電流大，因此，關(guān) 斷中電流下降率很高，在布線電感中將感生很高的電壓，尤其是在器件封裝引線 里盛上的這種感應電壓很難抑制，它將使器件有過電流變?yōu)殛P(guān)斷過電壓而失效I