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基于EXB841的IGBT驅(qū)動和保護電路研究

作者: 時間:2009-07-27 來源:網(wǎng)絡 收藏

引 言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/181298.htm

多絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種由雙極型晶體管與MOSFET組合的器件,它既具有MOSFET的柵極電壓控制快速開關(guān)特性,又具有雙極型晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點,近年來在各種電能變換裝置中得到了廣泛應用。但是,的門極影響的通態(tài)壓降、開關(guān)時間、快開關(guān)損耗、承受短路電流能力及du/dt等參數(shù),并決定了IGBT靜態(tài)與動態(tài)特性。因此設計高性能的是安全使用IGBT的關(guān)鍵技術(shù)[1,2]。

2 IGBT對的要求

(1)觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度,即脈沖前后沿要陡峭;
(2)柵極串連電阻Rg要恰當。Rg過小,關(guān)斷時間過短,關(guān)斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高;Rg過大,器件的開關(guān)速度降低,開關(guān)損耗增大;
(3)柵射電壓要適當。增大柵射正偏壓對減小開通損耗和導通損耗有利,但也會使管子承受短路電流的時間變短,續(xù)流二極管反向恢復過電壓增大。因此,正偏壓要適當,通常為+15V。為了保證在C-E間出現(xiàn)dv/dt噪聲時可靠關(guān)斷,關(guān)斷時必須在柵極施加負偏壓,以防止受到干擾時誤開通和加快關(guān)斷速度,減小關(guān)斷損耗,幅值一般為-(5~10)V;
(4)當IGBT處于負載短路或過流狀態(tài)時,能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流,實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。驅(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。

當然驅(qū)動電路還要注意像防止門極過壓等其他一些問題。日本FUJI公司的芯片具有單、正負偏壓、過流檢測、、軟關(guān)斷等主要特性,是一種比較典型的驅(qū)動電路。其功能比較完善,在國內(nèi)外得到了廣泛[2,3,4]。

3 驅(qū)動芯片的控制原理

圖 1 的工作原理

圖1為EXB841的驅(qū)動原理[4,5]。其主要有三個工作過程:正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流動作過程。14和15兩腳間外加PWM控制信號,當觸發(fā)脈沖信號施加于14和15引腳時,在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開通電壓;當觸發(fā)控制脈沖撤銷時,在GE兩端產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。過流保護動作過程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過流而進行保護的,Uce由二極管Vd7檢測。當IGBT開通時,若發(fā)生負載短路等發(fā)生大電流的故障,Uce會上升很多,使得Vd7截止,EXB841的6腳“懸空”,B點和C點電位開始由約6V上升,當上升至13V時,Vz1被擊穿,V3導通,C4通過R7和V3放電,E點的電壓逐漸下降,V6導通,從而使IGBT的GE間電壓Uce下降,實現(xiàn)軟關(guān)斷,完成EXB841對IGBT的保護。射極電位為-5.1V,由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vz2決定。

作為IGBT的專用驅(qū)動芯片,EXB841有著很多優(yōu)點,能夠滿足一般用戶的要求。但在大功率高壓高頻脈沖等具有較大電磁干擾的全橋逆變應用中,其不足之處也顯而易見。

(1)過流保護閾值過高。通常IGBT在通過額定電流時導通壓降Uce約為3.5V,而EXB841的過流識別值為7.5V左右,對應電流為額定電流的2~3倍,此時IGBT已嚴重過流。

(2)存在虛假過流。一般大功率IGBT的導通時間約為1µs左右。實際上,IGBT導通時尾部電壓下降是較慢的。實踐表明,當工作電壓較高時,Uce下降至飽和導通時間約為4~5µs,而過流檢測的延遲時間約為2.7µs.因此,在IGBT開通過程中易出現(xiàn)虛假過流。為了識別真假過流,5腳的過流故障輸出信號應延遲5µs,以便保護電路對真正的過流進行保護。

(3)負偏壓不足。EXB841使用單一的20V產(chǎn)生+15V和-5V偏壓。在高電壓大電流條件下,開關(guān)管通斷會產(chǎn)生干擾,使截止的IGBT誤導通。

(4)過流保護無自鎖功能。在過流保護時,EXB841對IGBT進行軟關(guān)斷,并在5腳輸出故障指示信號,但不能封鎖輸入的PWM控制信號。

(5)無報警電路。在系統(tǒng)應用中,IGBT發(fā)生故障時,不能顯示故障信息,不便于操作。
針對以上不足,可以考慮采取一些有效的措施來解決這些問題。以下結(jié)合實際設計應用的具體電路加以說明。

4 驅(qū)動電路優(yōu)化設計

本文EXB841設計IGBT的驅(qū)動電路如圖2所示,包括外部負柵壓成型電路、過流檢測電路、虛假過流故障識別與驅(qū)動信號鎖存電路,故障信息報警電路[5,6,7]。

⑴ 外部負柵壓成型電路

針對負偏壓不足的問題,設計了外部負柵壓成型電路。


如圖2所示,用外接8V穩(wěn)壓管Vw1代替驅(qū)動芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓管Vz2,在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)了兩個電容值分別為105µf和0.33µf的去耦濾波電容。為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰,在柵射極間并聯(lián)了反向串聯(lián)的16V(V02)和8V(V03)穩(wěn)壓二極管。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩,減小IGBT 集電極的電壓尖脈沖,需要在柵極串聯(lián)電阻Rg。柵極串連電阻Rg要恰當,Rg過小,關(guān)斷時間過短,關(guān)斷時產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高;Rg過大,器件的開關(guān)速度降低,開關(guān)損耗增大。優(yōu)化電路采用了不對稱的開啟和關(guān)斷方法。在IGBT開通時,EXB841的3腳提供+16V的電壓,電阻Rg2經(jīng)二極管Vd1和Rg1并聯(lián)使Rg值較小。關(guān)斷時,EXB841內(nèi)部的V5導通,3腳電平為0,優(yōu)化驅(qū)動電路在IGBT的E極提供-8V電壓,使二極管V01截止,Rg= Rg1具有較大值。并在柵射極間并聯(lián)大電阻,防止器件誤導通。

⑵ 過流檢測電路

偏高的保護動作閾值難起到有效地保護作用,必須合適設置此閾值。但由于器件壓降的分散性和溫度影響,又不宜設置過低。為了適當降低動作閾值,已經(jīng)提出了采用高壓降檢測二極管或采用串聯(lián)3.3V反向穩(wěn)壓二極管的方法。該方法不能在提高了負偏壓的情況下使用,因為正常導通時,IGBT約有3.5V左右的壓降,負偏壓的提高使6腳在正常情況下檢測到的電平將達到12V左右,隨著IGBT的工作電流增大,強電磁干擾會造成EXB841誤報警,出現(xiàn)虛假過流。本優(yōu)化電路采用可調(diào)的電流傳感器。如圖2所示。L為磁平衡式霍爾電流傳感器,可測量交流或直流電流,反應時間小于1µs,輸出電壓Uout同輸入電流有很好的線性關(guān)系。該電路通過調(diào)節(jié)滑動電阻Rw1設定基準電流幅值而完成保護,當電流傳感器輸出大于給定值時,比較器輸出+15V的高電平至EXB841的6腳,使EXB841的軟關(guān)斷電路工作。

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