單電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)在igb關(guān)斷開(kāi)關(guān)管上的應(yīng)用

單電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)在igb關(guān)斷開(kāi)關(guān)管上的應(yīng)用

igdt是一種典型的集成電源產(chǎn)品，不僅具有輸出mos50的高速開(kāi)關(guān)和電壓驅(qū)動(dòng)功能，還具有輸出二元非晶態(tài)的低飽和壓力降性能和能力。它能承受小的電流，并且需要的輸出功率低，并且需要控制電路復(fù)雜，并且具有較大的安全操作區(qū)域和短路的能力。因此,在電力電子系統(tǒng)中,IGBT逐漸取代MOSFET及雙極型晶體管而成為功率開(kāi)關(guān)元件中的重要一員。IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)技術(shù)直接關(guān)系到系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定和安全,理想的驅(qū)動(dòng)電路不但要提供IGBT所需的驅(qū)動(dòng)功率,而且要控制開(kāi)關(guān)損耗,同時(shí)在異常工作狀態(tài)下具有保護(hù)IGBT的能力。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中幾種常用的方式各有其特點(diǎn),但均需正負(fù)電源供電,目的是使用負(fù)偏置柵電壓來(lái)可靠地關(guān)斷和封鎖功率開(kāi)關(guān),對(duì)于采用全橋控制的無(wú)刷電機(jī)控制器,需要設(shè)計(jì)4路相互隔離正負(fù)驅(qū)動(dòng)電源,這就帶來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜化、成本增加因而產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力降低的問(wèn)題。基于此,我們?cè)诘凸β?、小電流?yīng)用場(chǎng)合的無(wú)刷電機(jī)控制器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,采用單電源驅(qū)動(dòng)技術(shù),針對(duì)單電源驅(qū)動(dòng)存在0V時(shí)無(wú)法可靠關(guān)斷的問(wèn)題,做了具體分析,并采取了相應(yīng)的解決措施。1專用驅(qū)動(dòng)模塊常用的IGBT驅(qū)動(dòng)方式包括以下幾種:1)分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路早期出現(xiàn)的IGBT驅(qū)動(dòng)方式,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高,已逐漸被淘汰。2)光耦驅(qū)動(dòng)電路光耦驅(qū)動(dòng)電路具有線路簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越的特點(diǎn),在電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。常用的驅(qū)動(dòng)光耦有東芝的TLP系列,夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。3)專用驅(qū)動(dòng)模塊包括厚膜驅(qū)動(dòng)電路和集成驅(qū)動(dòng)模塊。厚膜驅(qū)動(dòng)電路將驅(qū)動(dòng)部分的元器件集成到一片陶瓷基片上,同時(shí)具備驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能,工作可靠穩(wěn)定、使用靈活方便,在中、大功率的逆變器產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。集成驅(qū)動(dòng)模塊具有更高的集成度和豐富的功能,是一種集驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、保護(hù)甚至電源功能于一體的即用型IGBT門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊,它的應(yīng)用提高了整機(jī)的可靠性,簡(jiǎn)化了IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),但價(jià)格較高,常用于高端場(chǎng)合,Concept公司的Scale系列即屬此類(lèi)。無(wú)論采用上述何種IGBT驅(qū)動(dòng)方式,通常都要求正負(fù)電源雙極性供電,原因在于IGBT不同于MOSFET,其輸入電容較大,關(guān)斷IGBT時(shí),要施加負(fù)偏置柵電壓,且其負(fù)偏電壓要大于MOSFET,通常在-5~-10V范圍內(nèi),其作用是盡快吸取IGBT器件分布電容內(nèi)的存儲(chǔ)電荷,縮短關(guān)斷時(shí)間,提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。2igbt開(kāi)關(guān)狀態(tài)雖然正負(fù)雙極性電源驅(qū)動(dòng)被普遍采用,但單電源驅(qū)動(dòng)使4路隔離驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)、調(diào)試簡(jiǎn)化,降低了產(chǎn)品成本,在大量的中小功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。IGBT的單電源驅(qū)動(dòng)是指在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中只提供正電源,驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正電壓時(shí),開(kāi)啟IGBT;驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0V時(shí),關(guān)斷IGBT。但在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于器件分布參數(shù)的存在,使得單電源驅(qū)動(dòng)存在0V時(shí)可能無(wú)法關(guān)斷的問(wèn)題,即當(dāng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)切換至0V時(shí)欲使IGBT關(guān)斷時(shí),可能出現(xiàn)兩種錯(cuò)誤狀態(tài):由于米勒電容意外開(kāi)啟,由于雜散電感意外開(kāi)啟。以下具體分析此刻IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1)IGBT由于米勒電容意外開(kāi)啟在橋式電路中,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)啟IGBT下橋臂時(shí),上橋臂二極管兩端的電壓將發(fā)生變化,表示為dvCEdt。而dvCEdt可以導(dǎo)致產(chǎn)生瞬時(shí)電流并給IGBT上橋臂的寄生電容充電。寄生電容CCG和CGE會(huì)對(duì)電壓產(chǎn)生分壓作用。圖1表示出流過(guò)IGBT上橋臂米勒電容的電流流向。電流iCG流過(guò)米勒電容、門(mén)極串聯(lián)電阻以及直流母線。當(dāng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻上的壓降超過(guò)IGBT開(kāi)啟閾值電壓時(shí),會(huì)導(dǎo)致意外開(kāi)啟。而且芯片溫度每升高1K,閾值電壓便會(huì)有幾mV的下降。IGBT上橋臂進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換時(shí),電流流過(guò)下橋臂米勒電容,同樣可能導(dǎo)致下橋臂IGBT意外開(kāi)啟。2)IGBT由于雜散電感開(kāi)啟當(dāng)關(guān)斷負(fù)載電流時(shí),IGBT發(fā)射極雜散電感將感應(yīng)出電壓,如圖2所示。在IGBT-T2關(guān)斷、IGBT-T1導(dǎo)通后,主電流不再流過(guò)續(xù)流二極管D2,而是流過(guò)其它橋壁的IGBT。二極管的反向恢復(fù)電流的變化產(chǎn)生了diC2/dt,這樣在IGBT-T2的雜散電感LσE2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓,此電壓導(dǎo)致T2發(fā)射極的電勢(shì)變?yōu)樨?fù)。如果diC/dt較大,產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就會(huì)高于IGBT的閾值電壓,T2將被意外開(kāi)啟。3通過(guò)改善單電源驅(qū)動(dòng)模式，確保igdt可訪問(wèn)靠關(guān)斷通過(guò)電路分析,驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0V時(shí),IGBT存在意外開(kāi)啟的可能,為此,可以采取以下幾種措施防止意外開(kāi)啟發(fā)生。3.1電阻rgon的影響IGBT開(kāi)啟過(guò)程中,電壓變化率-dvCE/dt和電流變化率diC/dt的大小都受到門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻RGon的影響,加大門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻,會(huì)使電壓變化率及電流變化率變小,IGBT開(kāi)關(guān)速度變慢。減小RGoff阻值可以防止由于米勒電容引起的意外開(kāi)啟,而加大RGoff阻值可以防止由于雜散電感引起的意外開(kāi)啟,在實(shí)際工程應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況權(quán)衡考慮,確定合適的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻。3.2阻和關(guān)斷電阻和關(guān)斷在工程應(yīng)用中,使用分離的開(kāi)啟電阻和關(guān)斷電阻,可以實(shí)現(xiàn)較為理想的開(kāi)關(guān)特性。選取RGoff<RGon,則可以防止由米勒電容導(dǎo)致的IGBT意外開(kāi)啟。3.3門(mén)極電壓的壓力雖然門(mén)極與發(fā)射極間附加電容CG會(huì)影響IGBT的開(kāi)關(guān)切換過(guò)程,但該電容可以吸收米勒電容釋放出來(lái)的額外的電荷。這時(shí)IGBT門(mén)極的總輸入電容為CG||CGE,門(mén)極電壓要達(dá)到開(kāi)啟閾值電壓,就需要更多的電荷量。在某些工程應(yīng)用場(chǎng)合,若IGBT模塊內(nèi)部門(mén)極電阻過(guò)小,為了防止振蕩,則可以給電容串聯(lián)一個(gè)附加電阻SR,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)附加電容和附加電阻的取值參考下面計(jì)算式:由于附加電容的存在,使得要求的驅(qū)動(dòng)功率增加,同時(shí)依據(jù)RGon/off取值的不同,IGBT會(huì)有較大的開(kāi)關(guān)損耗。3.4門(mén)極線網(wǎng)絡(luò)地理位置防止IGBT意外開(kāi)啟的另外一種方法是將門(mén)極與發(fā)射極短路,可以通過(guò)在門(mén)極與發(fā)射極間附加晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖5所示。在門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換到0V且經(jīng)過(guò)一段延時(shí)時(shí)間后,晶體管T導(dǎo)通將門(mén)極與發(fā)射極短接。肖特基二極管D可以阻止電流從米勒電容流回至門(mén)極電阻。通過(guò)設(shè)計(jì)晶體管電路,在關(guān)斷IGBT時(shí)短接門(mén)極與發(fā)射極,設(shè)計(jì)者以一種可控的方式阻止由米勒電容所產(chǎn)生的電流,從而保證了IGBT在驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0V時(shí)可靠關(guān)斷。4全橋驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)電源驅(qū)動(dòng)在5.5kW無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)中,選用了英飛凌公司的IGBT功率模塊FP50R060KE3,其內(nèi)部集成了全橋整流電路和逆變橋6只IGBT開(kāi)關(guān)管,為了實(shí)現(xiàn)控制器整體的集成化,簡(jiǎn)化4路隔離驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì),我們采用了有源米勒鉗位的單電源驅(qū)動(dòng)方式,選用了TLP350作為驅(qū)動(dòng)光藕(見(jiàn)圖6)。總體來(lái)看,該設(shè)計(jì)方案驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,由一個(gè)開(kāi)關(guān)電源電路輸出4路隔離驅(qū)動(dòng)單電源,進(jìn)行集中式供電,功率驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)緊湊,集成度高,體現(xiàn)了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工作可靠的設(shè)計(jì)理念。5可能意外開(kāi)啟的優(yōu)缺點(diǎn)在小功率