有关大功率IGBT驱动过流保护电路设计和IGBT高压大功率驱动应用及原理
IGBT和晶闸管的抗过载能力不强,但是IGBT饱和压降低和工作频率高的众多优点依旧成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率期间.所以,设计IGBT的驱动过流保护电路成为首要之选,让它具备更完善的驱动过流保护功能是现有设计者必须考虑的题目.
1 驱动过流保护电路的驱动过流保护原则
IGBT的技术资料表明,IGBT在10μS内最大可承受2倍的额定电流,但是经常承受过电流会使器件过早老化,故IGBT的驱动过流保护电路的设计原则为:一、当过电流值小于2倍额定电流值时,可采用瞬时封,外墙涂了半层的乳胶漆,看得出是在旧房的基础上改造.由于刚搬进来没多久,我在小区进出的人流中显得陌生.楼房之间锁栅极电压的方法来实现保护;二、当过电流值大于2倍额定电流值时,由于瞬时封,外墙涂了半层的乳胶漆,看得出是在旧房的基础上改造.由于刚搬进来没多久,我在小区进出的人流中显得陌生.楼房之间锁栅极电压会使di/dt很大,会在主回路中感应出较高的尖峰电压,故应采用软关断方法使栅极电压在2μS-5μS的时间内降至零电压,至终极为-5伏的反电压;三、采用适当的栅极驱动电压.基于上述思想,驱动过流保护电路现分为分离元件驱动过流保护电路和模块驱动过流保护电路.
2 驱动过流保护电路的设计
2.1分离元件驱动过流保护电路
以多电源驱动过流保护电路为例,分离元件驱动过流保护电路如图1.图1中,T1、T4和T5构成IGBT的驱动电路,DZ1、T3、D2、C4构成延时降压电路.T6、555集成电路和光耦LP2构成延时电路.在正常开通时,T1和T4导通,由于D1和R6的作用,B点电路不会超过DZ1击穿电压,此时T3截止,D点电位不会下降,延时电路不延时,T2截止.当IGBT流过短路电流时,IGBT的集射极压降上升,此时C点电位上升,上升时间t1由式(1)求得.
式(1)中,VCC是电源电压,单位为伏特;V1是DZ1击穿电压,单位为伏特;τ2=R2×C2,为时间常数,单位为秒;VC2为电容C2的初始电压,单位为伏特.
当C点电位上升到DZ1的击穿电压时,T3导通,C4放电,D点电位下降,即F点和 ** 电位下降,IGBT的栅极驱动电压下降.同时,光耦LP2导通,延时电路开始计时,此计时时间t2由式(2)求得.
式(2)中,VCC是电源电压,单位为伏特;V2是555翻转电平,单位为伏特;τ2=(R14+R15)×C5,为时间常数,单位为秒;VC5为电容C5的初始电压,单位为伏特.
有关大功率IGBT驱动过流保护电路设计和IGBT高压大功率驱动应用及原理，更多关于IGBT方案请咨询上海工品实业。 假如过流故障在555计时时间t2内消除,则C点电位下降恢复到原来值,DZ1、T3立即截止,同时C4开始充电,F点和 ** 电位上升,IGBT的栅极电压恢复到原来的正常值,IGBT继续正常工作;假如在555计时时间t2内过流故障还没有消除,则555输出高电平,经T7、CD4043和CD4081驱动光耦LP1,使A点电位下降并保持,T1截止,T5导通,IGBT的栅射极电压终极为-5伏,导致IGBT截止,从而实现延时缓降压过流保护.其从发生过流故障到彻底关断IGBT所需的总时间t为
t=t1+t2 (3)
式(3)中,t、t1和t2的单位都是秒.
还应留意:(1)选择合适的栅极驱动电压值;正电压值一般在12V-15V为宜,12V最佳,反向电压一般在5V-10V;
(2)选择合适的栅极串联电阻值,一般选几欧姆到十几欧姆;
(3)选择合适的栅射极并联电阻值或稳压二极管.
从上述分析可知,分离元件驱动过流保护电路复杂,但设计灵活.
2.2模块驱动过流保护电路
以EXB841系列为例,模块驱动过流保护电路[9-10]如图2.图2中,9脚为参考地,2脚电位为20V,1脚电位为5V,当14脚、15脚之间加上高电平驱动信号时,EXB841中的互补输出级中的上管导通,IGBT导通;反之,输进为低电平时,IGBT关断.EXB841内部过流保护电路通过检测IGBT的集射极电压Vce来判定IGBT是否过流,其判定公式为:
Vce+V1+VD≥V2 (4)
式(4)中,V1为1脚电位;VD为6脚所接二极管D导通压降;V2为EXB841内部二极管击穿电压.如设V1=5V,VD=1V,V2=13V,即Vce=7V时,为过流保护电压阀值,当Vce<7V时保护电路不工作,其保护功能为:当过流时降低栅射极驱动电压,并与慢关断技术相结合.在检测到短路2μS后,开始降低栅极驱动电压,10μS内降到OV.在这段时间内,若短路现象消除,栅极驱动电压恢复到正常值;若故障仍存在,则5脚输出故障信号,通过一定时间的延迟后,IGBT的栅射极电压终极为-5伏,同时封,外墙涂了半层的乳胶漆,看得出是在旧房的基础上改造.由于刚搬进来没多久,我在小区进出的人流中显得陌生.楼房之间锁输进信号,这样避免立即停止输进信号造成硬关断,产生过电压击穿IGBT.其不足之处为:一、负栅压过低,降低了IGBT的可靠性;二、没有过流信号锁定功能,一旦发生过流故障,并不能在当前工作周期内实现延时保护关断.
3结束语
以上先容了几种IGBT驱动过流保护电路.分离元件驱动过流保护电路复杂,但设计灵活、保护功面,模块驱动过流保护电路使电路的设计简化并具备了一定的保护功能,但这些保护功能是有限的,用时,还要考虑扩展其功能.至于实际应用中采用哪一种方法,应视实际情况而言.
IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用及原理
通过对功率器件IGBT的工作特性分析、驱动要求和保护方法等讨论，介绍了的一种可驱动高压大功率IGBT的集成驱动模块HCPL-3I6J的应用
关键词：IGBT；驱动保护电路；电源
IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。
但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。
为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300A IGBT的驱动和保护电路。
1 IGBT的工作特性
IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE(th)时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。
IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。
2 IGBT驱动电路要求
在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。
1)栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，．IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤UGE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选一5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。
2)IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。
3)选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制dvce／dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，开通时间延时，CG太小对抑制dic／dt效果不明显。
4)当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。
3 HCPL-316J驱动电路
3.1 HCPL-316J内部结构及工作原理
HCPL-316J的内部结构如图1所示，其外部引脚如图2所示。
从图1可以看出，HCPL-316J可分为输入IC(左边)和输出IC(右边)二部分，输入和输出之间完全能满足高压大功率IGBT驱动的要求。
各引脚功能如下：
脚1(VIN+)正向信号输入；
脚2(VIN-)反向信号输入；
脚3(VCG1)接输入电源；
脚4(GND)输入端的地；
脚5(RESERT)芯片复位输入端；
脚6(FAULT) 故障输出，当发生故障(输出正向电压欠压或IGBT短路)时，通过光耦输出故障信号；
脚7(VLED1+)光耦测试引脚，悬挂；
脚8(VLED1-)接地；
脚9，脚10(VEE)给IGBT提供反向偏置电压；
脚11(VOUT)输出驱动信号以驱动IGBT；
脚12(VC)三级达林顿管集电极电源；
脚13(VCC2)驱动电压源；
脚14(DESAT) IGBT短路电流检测；
脚15(VLED2+)光耦测试引脚，悬挂；
脚16(VE)输出基准地。
其工作原理如图1所示。若VIN+正常输入，脚14没有过流信号，且VCC2-VE=12v即输出正向驱动电压正常，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出低电平。首先3路信号共同输入到JP3，D点低电平，B点也为低电平，50×DMOS处于关断状态。此时JP1的输入的4个状态从上至下依次为低、高、低、低，A点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT也随之开通。
若IGBT出现过流信号(脚14检测到IGBT集电极上电压=7V)，而输入驱动信号继续加在脚1，欠压信号为低电平，B点输出低电平，三级达林顿管被关断，1×DMOS导通，IGBT栅射集之间的电压慢慢放掉，实现慢降栅压。当VOUT=2V时，即VOUT输出低电平，C点变为低电平，B点为高电平，50×DMOS导通，IGBT栅射集迅速放电。故障线上信号通过光耦，再经过RS触发器，Q输出高电平，使输入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。
3．2驱动电路设计
驱动电路及参数如图3所示。
HCPL-316J左边的VIN+，FAULT和RESET分别与微机相连。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起输入保护作用，防止过高的输入电压损坏IGBT，但是保护电路会产生约1μs延时，在开关频率超过100kHz时不适合使用。Q3最主要起互锁作用，当两路PWM信号(同一桥臂)都为高电平时，Q3导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。图3中的互锁信号Interlock，和Interlock2分别与另外一个316J Interlock2和Interlock1相连。R1和C2起到了对故障信号的放大和滤波，当有干扰信号后，能让微机正确接受信息。
在输出端，R5和C7关系到IGBT开通的快慢和开关损耗，增加C7可以明显地减小dic／dt。首先计算栅极电阻：其中ION为开通时注入IGBT的栅极电流。为使IGBT迅速开通，设计，IONMAX值为20A。输出低电平VOL=2v。可得
C3是一个非常重要的参数，最主要起充电延时作用。当系统启动，芯片开始工作时，由于IGBT的集电极C端电压还远远大于7V，若没有C3，则会错误地发出短路故障信号，使输出直接关断。当芯片正常工作以后，假使集电极电压瞬间升高，之后立刻恢复正常，若没有C3，则也会发出错误的故障信号，使IGBT误关断。但是，C3的取值过大会使系统反应变慢，而且在饱和情况下，也可能使IGBT在延时时间内就被烧坏，起不到正确的保护作用， C3取值100pF，其延时时间
在集电极检测电路用两个二极管串连，能够提高总体的反向耐压，从而能够提高驱动电压等级，但二极管的反向恢复时间要很小，且每个反向耐压等级要为1000V，一般选取BYV261E，反向恢复时间75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出现过流信号后具有的软关断特性，其原理是C5通过内部MOSFET的放电来实现软关断。图3中输出电压VOUT经过两个快速三极管推挽输出，使驱动电流最大能达到20A，能够快速驱动1700v、200-300A的IGBT。
3．3驱动电源设计
在驱动设计中，稳定的电源是IGBT能否正常工作的保证。如图4所示。电源采用正激变换，抗干扰能力较强，副边不加滤波电感，输入阻抗低，使在重负载情况下电源输出电压仍然比较稳定。
当s开通时，+12v(为比较稳定的电源，精度很高)电压便加到变压器原边和S相连的绕组，通过能量耦合使副边经过整流输出。当S关断时，通过原边二极管和其相连的绕组把磁芯的能量回馈到电源，实现变压器磁芯的复位。555定时器接成多谐振荡器，通过对C1的充放电使脚2和脚6的电位在4～8v之间变换，使脚3输出电压方波信号，并用方波信号来控制S的开通和关断。+12v经过R1，D2给C1充电，其充电时间t1≈R1C2ln2；放电时间t2=R2C1ln2，充电时输出高电平，放电时输出低电平。所以占空比=t1／(t1+t2)。
变压器按下述参数进行设计：原边接+12v，频率为60kHz，工作磁感应强度Bw为O．15T，副边+15v输出2A，-5v输出1 A，效率n=80％，窗口填充系数Km为O．5，磁芯填充系数Kc为1，线圈导线电流密度d为3 A／mm2。则输出功率
PT=(15+O．6)×2×2+(5+O．6)×1×2=64W。
变压器磁芯参数
由于带载后驱动电源输出电压会有所下降，所以，在实际应用中考虑提高频率和占空比来稳定输出电压。
4 结语
本文设计了一个可驱动l700v，200～300A的IGBT的驱动电路。硬件上实现了对两个IGBT(同一桥臂)的互锁，并设计了可以直接给两个IGBT供电的驱动电源
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