摘 要：IGBT 保護(hù)電路">驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是IGBT可靠,、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ),，也是IGBT所構(gòu)成系統(tǒng)可靠運(yùn)行所必不可少的,。本文所提出的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是應(yīng)用于二極管箝位式的三電平變頻器當(dāng)中，在介紹IGBT主要特性的前提下,，介紹應(yīng)用CONCEPT公司的2SD315模塊設(shè)計(jì)具有高可靠性,、高集成度，高效率等特點(diǎn)的 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路,，最后給出以型號(hào)為2SD315AI-33驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路,。
關(guān)鍵詞：IGBT，驅(qū)動(dòng)電路，三電平變頻器,，2SD315
1,、引言
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管,，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn),。GTR飽和壓降低，載流密度大,，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小,，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大,，載流密度小,。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低,，從而成為當(dāng)今電力電子行業(yè)的首選器件,。
電力電子器件的發(fā)展水平在很大程度上決定了電力電子產(chǎn)品的發(fā)展水平，而目前電力電子器件受電壓,、電流水平的限制成為電力電子及電氣傳動(dòng)行業(yè)發(fā)展的瓶頸,，而 IGBT則是其中一例。在現(xiàn)有的IGBT技術(shù)水平上如何能夠使其發(fā)揮最大功能,，這是主要而又關(guān)鍵的問(wèn)題,，除了合理的軟件控制方法外，無(wú)疑IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是又一重要環(huán)節(jié),。目前,，IGBT的控制保護(hù)電路很多，但在集成度,，可靠性等方面還不夠完善,，本文就此在介紹IGBT基本性能的基礎(chǔ)上介紹一種基于 CONCEPT公司的2SD315模塊的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。
2,、IGBT特性及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
本文以eupec公司型號(hào)為FF450R17ME3的IGBT為例進(jìn)行說(shuō)明,。通過(guò)查找其技術(shù)手冊(cè)可得：在其節(jié)溫為125℃，器件集電極與發(fā)射級(jí)間壓降為 UCE=900V,，門極驅(qū)動(dòng)電壓UGE=±15V,，IC=450A，限流電阻RG=3.3Ω時(shí)Tdon=100ns,，Tdoff=1000ns,。但在門極電阻RG不同時(shí)，其開關(guān)速度也是不同的,，當(dāng)RG小時(shí),，其與門極電容的時(shí)間常數(shù)短,，使IGBT深度飽和導(dǎo)通的時(shí)間短，反之則長(zhǎng),。而IGBT得開關(guān)速度直接影響系統(tǒng)效率,，但是考慮到di/dt與du/dt對(duì)IGBT本身的副作用，又不能使限流電阻過(guò)小,。一般限流電阻的選擇可參照以下公式：[1]~[2]
式中 UCN、ICN分別為IGBT額定電壓,、額定電流,。
圖1為FF450R17ME3管壓降與電流關(guān)系曲線，由圖可見當(dāng)加在門極驅(qū)動(dòng)電壓小于12V時(shí),，開通曲線電流上升到一定值時(shí),，其管壓降急劇上升，雖然在 12V時(shí)可以使IGBT開通,，但期間開通損耗比較大,。在8V、9V,、10V時(shí),，電流達(dá)到一定值，管壓降呈直線上升,，期間通電流能力已經(jīng)達(dá)到極限,。由此綜合考慮門極驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)大于12V，在工程實(shí)際當(dāng)中一般選擇15V,，考慮有較快的關(guān)斷速度,，提高抗干擾能力等方面，應(yīng)加-10~-15V的反偏電壓,。驅(qū)動(dòng)電路除考慮以上問(wèn)題外,，還需考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，驅(qū)動(dòng)電源的隔離,，控制部分與主回路部分的隔離,。以及各開關(guān)信號(hào)之間有無(wú)互鎖和死區(qū)控制等。
圖1 FF450R17ME3管壓降與電流關(guān)系曲線
3,、IGBT 保護(hù)電路
IGBT損壞的原因一般有過(guò)流,、過(guò)壓、過(guò)熱3個(gè)方面,。過(guò)壓又分集電極發(fā)射極過(guò)壓,，門極發(fā)射極過(guò)壓。在過(guò)流保護(hù)方面．很多生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料表明：IGBT 短時(shí)間最大可承受兩倍的額定電流．但是經(jīng)常承受過(guò)電流會(huì)使器件過(guò)早老化,。從圖3可以發(fā)現(xiàn),。如門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值為15V,，當(dāng)IGBT通過(guò)450A的額定電流時(shí)，管壓降大約為2.4V,。根據(jù)這一特性,，可以設(shè)計(jì)出IGBT過(guò)流保護(hù)電路。
圖2 2SD315典型保護(hù)電路
如圖2所示為2SD315典型的保護(hù)電路,，按照該電路的結(jié)構(gòu),，對(duì)參數(shù)的配置予以計(jì)算。由圖可見,，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí),，VT1導(dǎo)通比較器同相端為0，此時(shí) 150μA電流經(jīng)過(guò)Rth在比較器反相端形成一個(gè)基準(zhǔn)電位,，此時(shí)比較器輸出為低電平,。當(dāng)IGBT開通時(shí)，VT1關(guān)斷,，此時(shí)基準(zhǔn)電位依然存在,，1.4mA電流經(jīng)過(guò)電容Ca延時(shí)后經(jīng)過(guò)電阻Rm、VDM1,、VDM2,、IGBT后進(jìn)入?yún)⒖嫉亍Ｒ蚨诒容^器的同相端形成一個(gè)點(diǎn)位,，其幅值由電阻Rm壓降URm,，二極管 VDM1、VDM2壓降UD以及IGBT壓降UCE共同決定,，而URm,、UD為確定值，所以在比較器同相端的電位就決定于UCE,。
由圖1可知在某一確定型號(hào)的IGBT,，通態(tài)條件下其兩端電壓與通過(guò)的電流有一定的曲線關(guān)系。流過(guò)IGBT的電流增大,，IGBT兩端電壓UCE也隨之增大,，當(dāng)UCE增大到使比較器同相端電位高于反相端電位時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn),，從而封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖,。電路參數(shù)可按如下計(jì)算：
由于IGBT可以短時(shí)承受兩倍額定電流，所以在實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)選取,。在IGBT導(dǎo)通的瞬間,，IGBT兩端電壓UCE不會(huì)立刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而是由一個(gè)短時(shí)的過(guò)渡過(guò)程,，在這個(gè)階段IGBT保護(hù)電路會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的檢測(cè)信號(hào),。當(dāng)加電容Ca延時(shí)后,，IGBT保護(hù)電路就能夠躲過(guò)這一過(guò)渡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)正確的保護(hù)功能,。而且此電容還能夠在一定程度上濾掉UCE上的外界干擾信號(hào),，減少了保護(hù)誤動(dòng)的發(fā)生率。Ca的參數(shù)計(jì)算如下：
4,、2SD315AI-33簡(jiǎn)介及應(yīng)用
圖3 2SD315AI-33外形圖
4.1 2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊,，它以專用芯片組為基礎(chǔ)、外加必需的其它元件組成,。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式,，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，可提供±15V的驅(qū)動(dòng)電壓和±15A的峰值電流,，具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過(guò)流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測(cè),，工作頻率可達(dá)兆赫茲以上,，電氣隔離可達(dá)到6000VAC。
圖4 2SD315AI-33功能框圖
圖3為2SD315AI-33外形尺寸圖,，圖4為2SD315AI-33功能框圖,，它主要由DC/DC轉(zhuǎn)換電路、輸入處理電路,、驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路組成,。DC /D C 轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸人部分與工作部分進(jìn)行隔離。而其輸入處理電路由LDIO01及其外圍電路組成,。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)不能直接通過(guò)脈沖變壓器,，尤其是當(dāng)脈沖信號(hào)的頻率和占空比變化較大時(shí)，尤為困難,。LDI001就是專門為此而設(shè)計(jì)的,，此專用集成芯片的功能主要是對(duì)輸人的PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，以使之可通過(guò)脈沖變壓器進(jìn)行傳輸,。由于該器件內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器,，因此對(duì)輸人端信號(hào)無(wú)特殊的邊沿陡度要求，并能提供準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)反饋,。將其設(shè)計(jì)為集電極開路方式,，可以適應(yīng)任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間,。以上優(yōu)點(diǎn)使得接口既易用又靈活,，從而省去了其它專用電路所必需的許多外圍器件。驅(qū)動(dòng) 輸 出及邏輯保護(hù)電路的核心芯片是IGDOOI,。它將變壓器接口,、過(guò)流短路保護(hù),、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄,、供電監(jiān)視和輸出階段識(shí)別等功能都已集成在一起,。每個(gè)IGD用于一個(gè)通道，其具體功能是對(duì)脈沖變壓器傳來(lái)的PWM信號(hào)進(jìn)行解碼,，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大,，對(duì)IGBT的短路、過(guò)流及電源的欠壓檢測(cè)保護(hù),，并向LDI反饋狀態(tài),，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等。
4.2 實(shí)際應(yīng)用電路如圖5所示：
圖5 2SD315AI-33實(shí)際應(yīng)用電路
4.3 實(shí)驗(yàn)波形
圖6為用本文的方法設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在三電平變頻器中的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,。
5 總結(jié)
對(duì)于正確使用IGBT,，除了添加必要的吸收電路外，設(shè)計(jì)好一套良好的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是尤為關(guān)鍵的,。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之前,，必須仔細(xì)研究開關(guān)器件的關(guān)鍵外部特性，這對(duì)于正確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是至關(guān)重要的,。本文就是在分析器件的IGBT過(guò)渡過(guò)程等特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一套驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路,，借助于2SD315AI- 33模塊的高集成性、高可靠性,，從而使整體電路達(dá)到一個(gè)高的使用性能,。
