IGBT電力電子裝置的應(yīng)用詳解

IGBT在以變頻器及各類(lèi)電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　為解決IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，國(guó)外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開(kāi)發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路或模塊，惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價(jià)格相對(duì)便宜，因此，本文將對(duì)其進(jìn)行研究。

　　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與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(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)入線性放大區(qū)域，使IGBT過(guò)熱損壞;使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開(kāi)通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。

　　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。合適的CG有利于抑制dic/dt，CG太大，開(kāi)通時(shí)間延時(shí)，CG太小對(duì)抑制dic/dt效果不明顯。

　　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。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。

　　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

　　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)榈碗娖剑珺點(diǎn)為高電平，50×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號(hào)通過(guò)光耦，再經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過(guò)流的情況。

　　3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　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。Q3最主要起互鎖作用，當(dāng)兩路PWM信號(hào)(同一橋臂)都為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號(hào)Interlock，和Interlock2分別與另外一個(gè)316J Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對(duì)故障信號(hào)的放大和濾波，當(dāng)有干擾信號(hào)后，能讓微機(jī)正確接受信息。

　　在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開(kāi)通的快慢和開(kāi)關(guān)損耗，增加C7可以明顯地減小dic/dt。首先計(jì)算柵極電阻：其中ION為開(kāi)通時(shí)注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開(kāi)通，設(shè)計(jì)，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。C3是一個(gè)非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時(shí)作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，芯片開(kāi)始工作時(shí)，由于IGBT的集電極C端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于7V，若沒(méi)有C3，則會(huì)錯(cuò)誤地發(fā)出短路故障信號(hào)，使輸出直接關(guān)斷。當(dāng)芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復(fù)正常，若沒(méi)有C3，則也會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號(hào)，使IGBT誤關(guān)斷。但是，C3的取值過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時(shí)時(shí)間內(nèi)就被燒壞，起不到正確的保護(hù)作用， C3取值100pF，其延時(shí)時(shí)間在集電極檢測(cè)電路用兩個(gè)二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)，但二極管的反向恢復(fù)時(shí)間要很小，且每個(gè)反向耐壓等級(jí)要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復(fù)時(shí)間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是C5通過(guò)內(nèi)部MOSFET的放電來(lái)實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過(guò)兩個(gè)快速三極管推挽輸出，使驅(qū)動(dòng)電流最大能達(dá)到20A，能夠快速驅(qū)動(dòng)1700v、200-300A的IGBT。