1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：IGBT電源

0 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，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)式功率半導(dǎo)體器件， 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(kāi)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。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴(lài)于電路條件和開(kāi)關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個(gè)裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為解決IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，本文給出1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

1 IGBT的工作特性

IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來(lái)控制的，當(dāng)UGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí)，IGBT被關(guān)斷。

IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道FET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴(少子)，對(duì) N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線(xiàn)性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開(kāi)通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路要求

在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。

1)柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，.IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開(kāi)通損耗減小;但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門(mén)控失效，從而造成IGBT的損壞;若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線(xiàn)性放大區(qū)域，使IGBT過(guò)熱損壞;使用中選12V≤UGE≤18V為好。

2)IGBT快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開(kāi)關(guān)頻率不宜過(guò)大，因?yàn)楦咚匍_(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

3)選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開(kāi)通瞬間電流較大，從而損壞IGBT;RG較大，有利于抑制dvce/dt，但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。

4)當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。

3 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路

3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。

從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿(mǎn)足高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)的要求。

各引腳功能如下：

腳1(VIN+)正向信號(hào)輸入;

腳2(VIN-)反向信號(hào)輸入;

腳3(VCG1)接輸入電源;

腳4(GND)輸入端的地;

腳5(RESERT)芯片復(fù)位輸入端;

腳6(FAULT) 故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時(shí)，通過(guò)光耦輸出故障信號(hào);

腳7(VLED1+)光耦測(cè)試引腳，懸掛;

腳8(VLED1-)接地;

腳9，腳10(VEE)給IGBT提供反向偏置電壓;

腳11(VOUT)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT;

腳12(VC)三級(jí)達(dá)林頓管集電極電源;

腳13(VCC2)驅(qū)動(dòng)電壓源;

腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測(cè);

腳15(VLED2+)光耦測(cè)試引腳，懸掛;

腳16(VE)輸出基準(zhǔn)地。

其工作原理如圖1所示。若VIN+正常輸入，腳14沒(méi)有過(guò)流信號(hào)，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓正常，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出高電平，故障信號(hào)和欠壓信號(hào)輸出低電平。首先3路信號(hào)共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動(dòng)三級(jí)達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開(kāi)通。

若IGBT出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)(腳14檢測(cè)到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼續(xù)加在腳1，欠壓信號(hào)為低電平，B點(diǎn)輸出低電平，三級(jí)達(dá)林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時(shí)，即VOUT輸出低電平，C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，B點(diǎn)為高電平，50×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路及參數(shù)如圖3所示。

HCPL-316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機(jī)相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護(hù)作用，防止過(guò)高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生約1μs延時(shí)，在開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)100kHz時(shí)不適合使用。