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IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路的研究

發(fā)布時(shí)間:2010-12-02 來(lái)源:微計(jì)算機(jī)信息

中心議題:

  • IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路的研究
  • IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)問(wèn)題

解決方案:

  • 過(guò)流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路
  • 進(jìn)行了仿真研究


1 引言

絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Tramistor,IGBT)是MOSFET與GTR的復(fù)合器件,因此,它既具有MOSFET的工作速度快、開(kāi)關(guān)頻率高、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn),又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn).是取代GTR的理想開(kāi)關(guān)器件。IGBT目前被廣泛使用的具有自關(guān)斷能力的器件,廣泛應(yīng)用于各類固態(tài)電源中。IGBT的工作狀態(tài)直接影響整機(jī)的性能,所以合理的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整機(jī)顯得很重要,但是如果控制不當(dāng),它很容易損壞,其中一種就是發(fā)生過(guò)流而使IGBT損壞,本文主要研究了IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)問(wèn)題,就其工作原理進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)出具有過(guò)流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路,并進(jìn)行了仿真研究。

2 IGBT的驅(qū)動(dòng)要求和過(guò)流保護(hù)分析

1. IGBT的驅(qū)動(dòng)

IGBT是電壓型控制器件,為了能使IGBT安全可靠地開(kāi)通和關(guān)斷.其驅(qū)動(dòng)電路必須滿足以下的條件:

IGBT的柵電容比VMOSFET大得多,所以要提高其開(kāi)關(guān)速度,就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯(lián)電阻。

(1)門極電壓

任何情況下,開(kāi)通狀態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超過(guò)參數(shù)表給出的限定值(一般為20v),最佳門極正向偏置電壓為15v土10%。這個(gè)值足夠令I(lǐng)GBT飽和導(dǎo)通;使導(dǎo)通損耗減至最小。雖然門極電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài),但是為了減小關(guān)斷時(shí)間,提高IGBT的耐壓、dv/dt耐量和抗干擾能力,一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時(shí).可在門極與源極之間加一個(gè)-5~-15v的反向電壓。

(2)門極串聯(lián)電阻心

選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要,Rg對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響見(jiàn)圖1。

Rg對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響

圖1 Rg對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響

IGBT 的輸入阻抗高壓達(dá)109~1011,靜態(tài)時(shí)不需要直流電流.只需要對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電的動(dòng)態(tài)電流。其直流增益可達(dá)108~109,幾乎不消耗功率。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩,減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖,需在柵極串聯(lián)電阻Rg,當(dāng)Rg增大時(shí),會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長(zhǎng),能耗增加;而減少RF又會(huì)使di/dt增高,可能損壞IGBT。因此應(yīng)根據(jù)IGBT電流容量和電壓額定值及開(kāi)關(guān)頻率的不同,選擇合適的Rg,一般選心值為幾十歐姆至幾百歐姆。具體選擇Rg時(shí).要參考器件的使用手冊(cè)。
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(3)驅(qū)動(dòng)功率的要求

IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的功耗,門極正反向偏置電壓之差為△Vge,工作頻率為f,柵極電容為Cge,則
電源的最少峰值電流為:
公式

2. IGBT的過(guò)流保護(hù)

IGBT 的過(guò)流保護(hù)就是當(dāng)上、下橋臂直通時(shí),電源電壓幾乎全加在了開(kāi)關(guān)管兩端,此時(shí)將產(chǎn)生很大的短路電流,IGBT飽和壓降越小,其電流就會(huì)越大,從而損壞器件。當(dāng)器件發(fā)生過(guò)流時(shí),將短路電流及其關(guān)斷時(shí)的I—V運(yùn)行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區(qū),用在損壞器件之前,將IGBT關(guān)斷來(lái)避免開(kāi)關(guān)管的損壞。

3 .IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路分析

根據(jù)以上的分析.本設(shè)計(jì)提出了一個(gè)具有過(guò)流保護(hù)功能的光耦隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)電路,如圖2。

IGBT驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路

圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路

圖 2中,高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的電氣隔離,能夠達(dá)到很好的電氣隔離,適合高頻應(yīng)用場(chǎng)合。驅(qū)動(dòng)主電路采用推挽輸出方式,有效地降低了驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗,提高了驅(qū)動(dòng)能力,使之適合于大功率IGBT的驅(qū)動(dòng),過(guò)流保護(hù)電路運(yùn)用退集電極飽和原理,在發(fā)生過(guò)流時(shí)及時(shí)的關(guān)斷IGBT,其中V1.V3.V4 構(gòu)成驅(qū)動(dòng)脈沖放大電路。V1和R5構(gòu)成一個(gè)射極跟隨器,該射極跟隨器提供了一個(gè)快速的電流源,減少了功率管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。利用集電極退飽和原理,D1、R6、R7和V2構(gòu)成短路信號(hào)檢測(cè)電路.其中D1采用快速恢復(fù)二極管,為了防止IGBT關(guān)斷時(shí)其集電極上的高電壓竄入驅(qū)動(dòng)電路。為了防止靜電使功率器件誤導(dǎo)通,在柵源之間并接雙向穩(wěn)壓管D3和D4。如是IGBT的門極串聯(lián)電阻。

正常工作時(shí):

當(dāng)控制電路送來(lái)高電平信號(hào)時(shí),光耦6N137導(dǎo)通,V1、V2截止,V3導(dǎo)通而V4截止,該驅(qū)動(dòng)電路向IBGT提供+15V的驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟電壓,使IGBT開(kāi)通。

當(dāng)控制電路送來(lái)低電平信號(hào)時(shí),光耦6N137截至,VI、V2導(dǎo)通。V4導(dǎo)通而v3截止,該驅(qū)動(dòng)電路向IBGT提供-5v的電壓,使IGBT關(guān)閉。

當(dāng)過(guò)流時(shí):

當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時(shí),上、下橋直通此時(shí)+15V的電壓幾乎全加在IGBT上.產(chǎn)生很大的電流,此時(shí)在短路信號(hào)檢測(cè)電路中v2截止,A點(diǎn)的電位取決于D1、 R6、R7和Vces的分壓決定,當(dāng)主電路正常工作時(shí),且IGBT導(dǎo)通時(shí),A點(diǎn)保持低電平,從而低于B點(diǎn)電位。所有A1輸出低電平,此時(shí)V5截止,而c點(diǎn)為高電平,所以正常工作時(shí)。輸入到光耦6N137的信號(hào)始終和輸出保持一致。當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí),IGBT集電極退飽和,A點(diǎn)電位升高,當(dāng)高于B電位(即是所設(shè)置的電位)時(shí),即是當(dāng)電流超過(guò)設(shè)計(jì)定值時(shí),A1翻轉(zhuǎn)而輸出高電平,V5導(dǎo)通,從而將C點(diǎn)的電位箝在低電位狀態(tài),使與門4081始終輸出低電平,即無(wú)論控制電路送來(lái)是高電平或是低電平,輸人到光耦6N137的信號(hào)始終都是低電平,從而關(guān)斷功率管。從而達(dá)到過(guò)流保護(hù)。直到將電路的故障排除后,重新啟動(dòng)電路。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

本設(shè)計(jì)電路在orCAD軟件的仿真圖形如下:

向驅(qū)動(dòng)電路輸入,高電平為+15v,低電平為-5v的方波信號(hào)。IGBT的輸出波形如圖3所示:

IGBT輸出信號(hào)

圖3 IGBT輸出信號(hào)

根據(jù)前面的原理和分析,該電路的實(shí)際電路輸出波形如圖4所示:

實(shí)際電路輸出波形

圖4實(shí)際電路輸出波形

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5 結(jié)論

(1)該驅(qū)動(dòng)電路能夠?yàn)镮GBT提供+15v和-5V驅(qū)動(dòng)電壓確保IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。

(2)具有過(guò)流保護(hù)功能,當(dāng)過(guò)流時(shí),保護(hù)電路起作用,及時(shí)的關(guān)斷IGBT,防止IGBT損壞。

(3)本電路的可根據(jù)負(fù)載的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)最大電流,可以有很廣的使用范圍。

(4)本設(shè)計(jì)采用分立元件組成驅(qū)動(dòng)電路,降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用分立元件組成具有過(guò)流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路,降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。根據(jù)負(fù)載的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)最大電流,可以有很廣的使用范圍。
 

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