IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護電路的設(shè)計方案

1、IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護電路的設(shè)計方案    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IGIGBT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

2、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，

3、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(jìn)行研究，并給出1700V，200300A 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

4、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?。坏粽蝌?qū)動電壓過大則負(fù)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(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12VUGE18V為好。柵極負(fù)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(fù)偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后

5、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(fù)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dvcedt，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dicdt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dicdt效果不明顯。

6、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(fù)柵壓相同。3HCPL-316J驅(qū)動電路3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。從圖1可以看出，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

7、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(dá)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。其工作原理如圖1所示。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(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。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(dá)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