功率元件IGBT驅(qū)動(dòng)電路的研究[轉(zhuǎn)載]分離器件 2010-09-20 00:11:28 閱讀8 評(píng)論0 字號(hào)：大中小 訂閱 1 前言 IGBT也稱為絕緣柵雙極晶體管，是復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，它將功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用更加廣泛。 2 IGBT的工作特性 IGBT的等效電路及符合如圖1所示，IGBT由柵極正負(fù)電壓來控制。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，管子導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，管子關(guān)斷。
圖1 等效電路及符號(hào) IGBT具有和雙極型電力晶體管類似的伏安特性，隨著控制電壓UGE的增加，特性曲線上移。開關(guān)電源中的IGBT通過UGE電平的變化，使其在飽和與截止兩種狀態(tài)交替工作。 3 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求 根據(jù)IGBT的特性，其對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求如下： (1)提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷?，使IGBT能可靠地開通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但若UGE過大，則負(fù)載短路時(shí)其IC隨 UGE增大而增大，對(duì)其安全不利，使用中選UGE<<15V為好。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般選 UGE=－5V為宜。 (2)IGBT的開關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮?？焖匍_通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下，IGBT的開頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_斷和關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。 (3)IGBT開通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞。 (4)IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻RG對(duì)工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的 IGBT其RG值較大。 (5)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的保護(hù)功能。IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，G—E斷不能開路。
圖2 有正負(fù)偏壓的直接驅(qū)動(dòng)電路 4 實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路 4.1 直接驅(qū)動(dòng)法 如圖2所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動(dòng)電路要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源方式，輸入信號(hào)經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級(jí)，放大級(jí)采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動(dòng)電路適用于小容量的 IGBT。 4.2隔離驅(qū)動(dòng)法 隔離驅(qū)動(dòng)法有兩種電路形式。
圖3 變壓器隔離驅(qū)動(dòng)
圖4 隔離驅(qū)動(dòng) 圖3為最簡(jiǎn)單的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路，適用于小容量的IGBT。圖4為光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)電路，采用雙電源供電的方式。當(dāng)VG使發(fā)光二極管有電流流過時(shí)，光電耦合器HU的三極管導(dǎo)通，R1上有電流流過，場(chǎng)效應(yīng)管T1關(guān)斷，在VC的作用下，經(jīng)電阻R2、T2管的基—發(fā)射器有了偏流，T2迅速導(dǎo)通，經(jīng)RG柵極電阻，IGBT得到正偏而導(dǎo)通。當(dāng)VG沒有脈沖電壓時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，作用過程相反，T1導(dǎo)通使T3導(dǎo)通，－Vc經(jīng)柵極電阻RG加在IGBT得柵射極之間，使IGBT迅速關(guān)斷。 4.3 使用EXB840集成模塊控制的驅(qū)動(dòng)電路 相對(duì)于分立元件驅(qū)動(dòng)電路而言，集成化模塊驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)、集成化程度高、速度快、保護(hù)功能完善、可實(shí)現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。EXB840為高速型集成模塊，最大開關(guān)頻率達(dá)40kHz，能驅(qū)動(dòng)75A，1200V的IGBT管。
圖5 有過流檢測(cè)、保護(hù)及軟關(guān)斷功能的集成驅(qū)動(dòng)電路 如圖5所示，適當(dāng)增加外部元件，可使整個(gè)電路具有過流檢測(cè)、保護(hù)及軟關(guān)斷功能。加直流20V作為集成塊工作電源。內(nèi)部利用穩(wěn)壓二極管產(chǎn)生－5V的電壓，除供內(nèi)部應(yīng)用外，也為外用提供負(fù)偏壓。集成塊采用高速光耦輸入隔離。 由于EXB840的15腳接高電平，故控制脈沖輸入端14腳為低電平時(shí)，IGBT導(dǎo)通，14腳高電平時(shí)，IGBT截止。穩(wěn)壓管V1、V2為柵極電壓的正向限幅保護(hù)，電容C1、C2為正、反向電源的濾波電容，1腳還外接發(fā)射極的鉗位二極管VD2。此外，當(dāng)集電極電流過大時(shí)，IGBT的飽和壓降UCE將明顯增加，使集電極電位升高，過高的集電極電位作為過流信號(hào)送至6腳，通過EXB840內(nèi)部的保護(hù)電路，使柵極電位逐步下降，IGBT延時(shí)截止。與此同時(shí)，5腳輸出低電平，使光耦合器S01導(dǎo)通，輸出過電流保護(hù)信號(hào)，對(duì)PWM信號(hào)提供一個(gè)封鎖信號(hào)，封鎖與門。 IGBT在發(fā)生短路后是不允許立即過快地關(guān)斷，因此時(shí)短路電流相當(dāng)大，如果立即關(guān)斷會(huì)造成很大的di/dt，這在線路雜散電感作用下會(huì)在IGBT上產(chǎn)生過高的沖擊電壓，損壞元件。EXB840慢關(guān)斷動(dòng)作時(shí)間約8us，延時(shí)功能在內(nèi)部電路里實(shí)現(xiàn)。 EXB840的4腳用于連接外部電容，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作，多數(shù)場(chǎng)合不需接該電容。 該電路適合容量較大、開關(guān)頻率在40千赫以下的IGBT，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)作快，信號(hào)延時(shí)不超過1.5微秒。并有過流檢測(cè)、保護(hù)及過載慢速關(guān)斷等控制功能。 5 結(jié)束語 本文所論述的IGBT驅(qū)動(dòng)電路都是在實(shí)踐中很有應(yīng)用價(jià)值的，使用時(shí)可根據(jù)器件容量或功能要求來選擇不同的驅(qū)動(dòng)電路。小容量的IGBT可選擇直接驅(qū)動(dòng)或隔離驅(qū)動(dòng)，較大容量且要求保護(hù)功能完善的IGBT選用集成模塊控制的驅(qū)動(dòng)電路。 |
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