IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護電路的應(yīng)用及原理

IGBT高壓大功率驅(qū)動和保護電路的應(yīng)用及原理

通過對功率器件IGBT的工作特性分析、驅(qū)動要求和保護方法等討論，介紹了的一種可驅(qū)動高壓大功率IGBT的集成驅(qū)動模塊HCPL-3I6J的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：IGBT；驅(qū)動保護電路；電源

IGBT在以變頻器及各類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)點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點。

但是，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動和保護電路是電路設(shè)計的難點和重點，是整個裝置運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為解決IGBT的可靠驅(qū)動問題，國外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動集成電路或模塊，如國內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的EXB8系列，三菱電機公司生產(chǎn)的M579系列，美國IR公司生產(chǎn)的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護功能，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護、欠壓保護和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價格相對便宜，因此，本文將對其進行研究，并給出1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動和保護電路。

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)動電流與驅(qū)動功率非常小，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來控制的，當UGE大于開啟電壓UGE(th)時IGBT導(dǎo)通，當柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，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)，其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅(qū)動電路要求
在設(shè)計IGBT驅(qū)動時必須注意以下幾點。

1)柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當正向驅(qū)動電壓增大時，．IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減??；但若正向驅(qū)動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。

2)IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因為高速開通和關(guān)斷時，會產(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IGBT的驅(qū)動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic／dt效果不明顯。

4)當IGBT關(guān)斷時，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電阻。此外，在實際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(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)與正負柵壓相同。

3 HCPL-316J驅(qū)動電路
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足高壓大功率IGBT驅(qū)動的要求。