《電子技術(shù)應(yīng)用》
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IGBT的一種驅(qū)動和過流保護(hù)電路的設(shè)計
摘要: 本文主要研究了IGBT的驅(qū)動和短路保護(hù)問題,就其工作原理進(jìn)行分析,設(shè)計出具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動電路,并進(jìn)行了仿真研究。
Abstract:
Key words :

  一 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、開關(guān)頻率高、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn),又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點(diǎn).是取代GTR的理想開關(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)動電路對整機(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)生過流而使IGBT損壞,本文主要研究了IGBT的驅(qū)動和短路保護(hù)問題,就其工作原理進(jìn)行分析,設(shè)計出具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動電路,并進(jìn)行了仿真研究。

  二 IGBT的驅(qū)動要求和過流保護(hù)分析

  1 IGBT的驅(qū)動

  IGBT是電壓型控制器件,為了能使IGBT安全可靠地開通和關(guān)斷.其驅(qū)動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。

 ?。?)門極電壓

  任何情況下,開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(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.可在門極與源極之間加一個-5~-15v的反向電壓。

 ?。?)門極串聯(lián)電阻心

  選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要,Rg對開關(guān)損耗的影響見圖1。

  

  圖1 Rg對開關(guān)損耗的影響

  IGBT的輸入阻抗高壓達(dá)109~1011,靜態(tài)時不需要直流電流.只需要對輸入電容進(jìn)行充放電的動態(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,會使IGBT的通斷時間延長,能耗增加;而減少RF又會使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.要參考器件的使用手冊。

  (3)驅(qū)動功率的要求

  IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗,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:

  

  驅(qū)動電源的平均功率為:

  

  一 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、開關(guān)頻率高、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn),又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點(diǎn).是取代GTR的理想開關(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)動電路對整機(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)生過流而使IGBT損壞,本文主要研究了IGBT的驅(qū)動和短路保護(hù)問題,就其工作原理進(jìn)行分析,設(shè)計出具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動電路,并進(jìn)行了仿真研究。

  二 IGBT的驅(qū)動要求和過流保護(hù)分析

  1 IGBT的驅(qū)動

  IGBT是電壓型控制器件,為了能使IGBT安全可靠地開通和關(guān)斷.其驅(qū)動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。

 ?。?)門極電壓

  任何情況下,開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(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.可在門極與源極之間加一個-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IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要,Rg對開關(guān)損耗的影響見圖1。

  

  圖1 Rg對開關(guān)損耗的影響

  IGBT的輸入阻抗高壓達(dá)109~1011,靜態(tài)時不需要直流電流.只需要對輸入電容進(jìn)行充放電的動態(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,會使IGBT的通斷時間延長,能耗增加;而減少RF又會使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.要參考器件的使用手冊。

 ?。?)驅(qū)動功率的要求

  IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗,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:

  

  驅(qū)動電源的平均功率為:

  

  2 IGBT的過流保護(hù)

  IGBT的過流保護(hù)就是當(dāng)上、下橋臂直通時,電源電壓幾乎全加在了開關(guān)管兩端,此時將產(chǎn)生很大的短路電流,IGBT飽和壓降越小,其電流就會越大,從而損壞器件。當(dāng)器件發(fā)生過流時,將短路電流及其關(guān)斷時的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)斷來避免開關(guān)管的損壞。

  3 IGBT的驅(qū)動和過流保護(hù)電路分析

  根據(jù)以上的分析.本設(shè)計提出了一個具有過流保護(hù)功能的光耦隔離的IGBT驅(qū)動電路,如圖2。

  

  圖2 IGBT驅(qū)動和過流保護(hù)電路

  圖2中,高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號的電氣隔離,能夠達(dá)到很好的電氣隔離,適合高頻應(yīng)用場合。驅(qū)動主電路采用推挽輸出方式,有效地降低了驅(qū)動電路的輸出阻抗,提高了驅(qū)動能力,使之適合于大功率IGBT的驅(qū)動,過流保護(hù)電路運(yùn)用退集電極飽和原理,在發(fā)生過流時及時的關(guān)斷IGBT,其中V1.V3.V4構(gòu)成驅(qū)動脈沖放大電路。V1和R5構(gòu)成一個射極跟隨器,該射極跟隨器提供了一個快速的電流源,減少了功率管的開通和關(guān)斷時間。利用集電極退飽和原理,D1、R6、R7和V2構(gòu)成短路信號檢測電路.其中D1采用快速恢復(fù)二極管,為了防止IGBT關(guān)斷時其集電極上的高電壓竄入驅(qū)動電路。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:

  當(dāng)控制電路送來高電平信號時,光耦6N137導(dǎo)通,V1、V2截止,V3導(dǎo)通而V4截止,該驅(qū)動電路向IBGT提供+15V的驅(qū)動開啟電壓,使IGBT開通。

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

  當(dāng)過流時:

  當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時,上、下橋直通此時+15V的電壓幾乎全加在IGBT上.產(chǎn)生很大的電流,此時在短路信號檢測電路中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,且IGBT導(dǎo)通時,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V5截止,而c點(diǎn)為高電平,所以正常工作時。輸入到光耦6N137的信號始終和輸出保持一致。當(dāng)發(fā)生過流時,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,即是當(dāng)電流超過設(shè)計定值時,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,即無論控制電路送來是高電平或是低電平,輸人到光耦6N137的信號始終都是低電平,從而關(guān)斷功率管。從而達(dá)到過流保護(hù)。直到將電路的故障排除后,重新啟動電路。

  4 仿真與實(shí)驗(yàn)

  本設(shè)計電路在orCAD軟件的仿真圖形如下:

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

  

  圖3 IGBT輸出信號

  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:

  

  圖4實(shí)際電路輸出波形

  5 結(jié)論

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

 ?。?)具有過流保護(hù)功能,當(dāng)過流時,保護(hù)電路起作用,及時的關(guān)斷IGBT,防止IGBT損壞。

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

 ?。?)本設(shè)計采用分立元件組成驅(qū)動電路,降低整個系統(tǒng)的成本。

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