關(guān)于高頻電源模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1、驅(qū)動(dòng)電路的基本要求
一個(gè)理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能：
(1)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)電壓脈沖；
(2)IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級(jí)總處于飽和狀態(tài)，瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)而損壞；
(3)能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?，一般?15V為宜；
(4)能向IGBT提供足夠的反向柵壓，利于IGBT的快速關(guān)斷，幅值一般為5V-15V；
(5)由于IGBT多用于高壓場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)電路必需有足夠的輸入輸出電隔離能力且不影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正常傳輸；
(6)具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿；
(7)輸入輸出信號(hào)傳輸具有盡可能短的延時(shí)；
(8)當(dāng)IGBT負(fù)載短路或過(guò)流時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷；
(9)當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、短路等情況時(shí)能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào)供給控制電路進(jìn)行處理。
2、驅(qū)動(dòng)器的選擇
目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器有日本富士EXB系列、日本英達(dá)HR系列、日本三菱M579系列及美國(guó)Unitrode公司的UC系列，它們功能大致相同，但也有許多不同之處。目前國(guó)內(nèi)流行使用的EXB841不具備定時(shí)邏輯柵壓控制的功能，過(guò)流時(shí)若驅(qū)動(dòng)器入口信號(hào)消失，則其出口信號(hào)隨之消失而損壞IGBT，且關(guān)斷負(fù)壓－5V不夠可靠。
HR065的短路保護(hù)穩(wěn)定，但可靠性差。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，我們選用日本三菱公司的M57962AL驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有如下特點(diǎn):
(1)采用高速光偶隔離，輸入輸出隔離絕緣強(qiáng)度高 ；
(2)輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機(jī)控制；
(3)內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有廷時(shí)保護(hù)特性；
(4)具有可靠通斷措施(采用雙電源供電)；
(5)驅(qū)動(dòng)功率大，可以驅(qū)動(dòng)600A/600V或400A/1200V的IGBT模塊。
M57962AL是厚模單列直插式封裝，如圖1所示，是從左至右依次編號(hào)，其中9～12為空端。各引腳功能如下：
1端和2端：故障檢測(cè)輸入端；
4端：接正電源VCC ；
5端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端 ；
6端：接負(fù)電源VEE ；
8端：故障信號(hào)輸出 ；
13端和14端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。
圖1 M57962AL芯片的外觀尺寸圖
M57962AL芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部保護(hù)電路如圖2和圖3所示。
圖2 M57962AL芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖3 M57962AL的內(nèi)部保護(hù)電路圖
3、 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)
IGBT的驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。
圖4 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路原理圖
圖中Q1為由控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入，fault為本驅(qū)動(dòng)電路在檢測(cè)到過(guò)流等故障時(shí)發(fā)出的故障檢測(cè)信號(hào)。C1、G1、E1分別接IGBT的源、柵、漏級(jí)。驅(qū)動(dòng)電路的供電采用單電源加穩(wěn)壓管方式，主要考慮了以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。
(1) 穩(wěn)壓管D的合理選擇
驅(qū)動(dòng)器M57962AL通過(guò)檢測(cè)IGBT的通態(tài)飽和壓降（即1腳的電壓U1）來(lái)判斷是否過(guò)流，當(dāng)檢測(cè)出IGBT的柵極和源極同為高電平時(shí)就判斷為過(guò)流，此時(shí)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓。并通過(guò)光耦向控制電路發(fā)出故障信號(hào)。IGBT正常工作時(shí)的通態(tài)壓降一般為2.5V～3.0V。而M57962AL的過(guò)流檢測(cè)端的閥值電壓Ucs設(shè)計(jì)為10V。如此高的閥值電壓對(duì)諸如橋臂直通、負(fù)載短路等情況有一定的保護(hù)作用。但動(dòng)作非常遲緩，甚至起不到保護(hù)作用。因此必須降低過(guò)流保護(hù)閥值，方法是在檢測(cè)端串聯(lián)一穩(wěn)壓管D2，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。它們之間滿足如下關(guān)系：
當(dāng)芯片1腳的電壓U1達(dá)到過(guò)流檢測(cè)端的閥值電壓UCS，M57962AL軟降柵壓，同時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。VD2選取越大則允許的VCE越小，IGBT允許流過(guò)的電流值亦越小。在本課題研究中，設(shè)定的管壓保護(hù)值為4.2V，對(duì)應(yīng)的保護(hù)電流值為300A，所以采用的穩(wěn)壓管D2的壓降為
(2)VCC、VEE的選取
由于IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加正向柵壓有關(guān)，在漏源電流一定的情況下，正向柵壓增加時(shí)，通態(tài)壓降下降，器件導(dǎo)通損耗減小。但若發(fā)生過(guò)流或短路，正向柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT越易損壞。對(duì)集電極額定電流200A的IGBT來(lái)說(shuō)，VCC選擇+12V～+15V比較合適，在這一點(diǎn)通態(tài)接近飽和值，是IGBT工作的最佳點(diǎn)。而為使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT外加－10V左右的反向柵壓VEE比較合適。實(shí)現(xiàn)電路中考慮到簡(jiǎn)化輔助電源設(shè)計(jì)的因素，采用24V單電源外加9.1V穩(wěn)壓管的方式為驅(qū)動(dòng)電路供電。即：VCC＝＋15V，VEE＝－9V。
(3)柵極電阻Rg的選取
柵極驅(qū)動(dòng)電阻的取值非常重要，適當(dāng)數(shù)值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。從安全可靠性角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)取較大的柵電阻，但是，較大的柵電阻影響開(kāi)關(guān)速度、增加開(kāi)關(guān)損耗。從提高工作頻率角度，應(yīng)當(dāng)取較小的柵電阻。一般情況下，可靠性是第一位的，因此使用中傾向于取較大值的電阻。柵極電阻的最佳值應(yīng)當(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。本文中經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，選擇Rg=4.7Ω。
(4)電容Ctrip的選取
M57962AL與M57962L的不同之處就在于，M57962AL利用改變引腳2，4之間的電容Ctrip可以對(duì)短路保護(hù)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)用比較靈活。若2腳懸空，短路保護(hù)檢測(cè)時(shí)間為2.6μs，保護(hù)動(dòng)作太靈敏常容易引起誤動(dòng)作。為此，通過(guò)接在2，4腳之間一個(gè)電容Ctrip來(lái)調(diào)節(jié)保護(hù)時(shí)間，選取1000pF左右的電容，保護(hù)時(shí)間大約為3μs。若保護(hù)仍然過(guò)于敏感，可改用3300pF的電容，此時(shí)保護(hù)時(shí)間約為6μs。
此外，對(duì)于M57962AL驅(qū)動(dòng)電路，在以下兩種情況容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路失去負(fù)偏壓：一是產(chǎn)生負(fù)偏壓的穩(wěn)壓二極管D2被擊穿短路；二是驅(qū)動(dòng)電路在單電源供電時(shí)，因失去電源供電電壓的時(shí)候。此時(shí)若按傳統(tǒng)的M57962AL單電源供電的典型接法(如圖5)，并沒(méi)有保護(hù)信號(hào)給出，易造成IGBT的損壞。
圖5 M57962AL的典型接法
針對(duì)上述情況，對(duì)M57962AL的外圍電路進(jìn)行了一些改進(jìn)（如圖4所示）。在正常情況下，D4導(dǎo)通，M57962AL的8腳為高電平，D1截止，VT導(dǎo)通，光耦輸出呈低阻態(tài)，故障信號(hào)為低電平，表現(xiàn)為無(wú)故障。過(guò)流保護(hù)時(shí)，D4導(dǎo)通，M57962AL的8腳為低電平，D1導(dǎo)通，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，故障信號(hào)為高電平，表現(xiàn)為有故障發(fā)生。如果穩(wěn)壓二極管D2擊穿短路，則D4截止，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，同樣給出故障信號(hào)。如果驅(qū)動(dòng)電路失去+24V電壓，則光耦無(wú)電流流過(guò)，仍然表現(xiàn)為故障保護(hù)。這樣就避免了IGBT因?yàn)槭ヘ?fù)偏壓或者失去供電而導(dǎo)致?lián)p壞。另外這里為了加快對(duì)故障信號(hào)的反應(yīng)，故障保護(hù)輸出光耦選用高速光耦6N137。
4 結(jié)語(yǔ)
性能優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)電路是高頻電源模塊運(yùn)行可靠的保證。采用驅(qū)動(dòng)器M57962AL實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，可以使IGBT工作可靠，性能穩(wěn)定。
評(píng)論