IGBT集成驱动电路及其功率扩展精

1、第28卷第3期2005年9月电子器件C hi n ese Journal of E l ect ron D evi cesV ol .28N o.3 Sep. 2005In teg rate D riv e r C ircu its o f IG B T and Ex tende d Po w erDENG Y u -ha ng , HAN M in g -wu，丫 ANG W e i(De p artm ent o f Ele c tric al Engine ering , Harb in In stitute o f Te chno log y , H arb in 150001, Ch

2、 inaAbstrac t :A ccordi ng to the charact eri sti cs of hi gh -pow er I G B T i n pr act i caluse , f i ve com m on i nt egrat e I G B T dri ve ci rcui ts E X B 841,M 57962,H L 402,H C P L 316J,2S D 315A are i ntroduced. T he w orki ng pri nci pl e and prot ecti on course f or over curre nt of each

3、ci rcui t are anal yzed . A vari ety of exte nded ci rcui ts f or dri vi ng h i gh -pow er I G B T are p rese nt.Ke y wo rds :I G B T ; dri ve ci rcui t ; over curre nt p rotect i on ; ext en ded ci rcui tEEAC C :6140IGBT集成驱动电路及其功率扩展邓宇航，韩明武，杨威（哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨150001摘要：针对大容量I G B T的实际应 用特点，介绍了 E X B

4、841, M 57962, H L 402, H C P L 316J ,2SD 315A五种常用 的集成专用驱 动电路，分析了各自的工作原 理和过电流保护动作过程，给出了多种适于驱动大容量I G B T的实用扩展电路。关键词：IG B T ;驱动电路；过电流保护；扩展电路中图分类号：TP 277; TN 941文献标识码:A文章编号：1005-9490(2005 03-0539- 03经过20多年的发展,I G B T表现出了很强的生命力,其开关性能经历五代改进也日臻完善,同时,IG B T的容量等级也在快速提升,单管电压已达 6500V，无均流并联电流已达3300A，已成为基本 上取代了

5、G T R ,并在很多应用 领 域挑战G T O的电力半导体开关器件1-2 0驱动电路的结构和参数会对IG B T的运行性能产生显著影响,如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗D v /D t的能力等。因此，根据I G B T的 型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发 挥IG B T的性能是十分重要的 3-4 01IG B T驱动电路的基本要求IG B T栅极驱动电路应具备如下基本功能： 提供足够的栅极电压来开通I G B T并在开通期间保持这个电压。 在最初开通阶段,提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IG BT的开通速度。 在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高IG B T

6、抗暂态D v /Dt的能力和抗E M I噪声的能力并减少关断损耗。在IG B T功率电路和控制电路之间提供 电气隔离。对IG B T逆变器,般要求的电气隔离为2500V以上。在短路故障发生时，驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行I G B T 保护，并发出故障信号到控制系统。收稿日期：2005-02-05作者简介：邓宇航（1980-,男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术,dengyh hi t . edu . cn ;韩明武（1954-,男，副教授，研究方向为大功率电能开关变换的控制和应用技术hanm w 6361sohu . com2几种常用IG B T集成驱动电路目前I G B T的驱动

7、电路主要有分立元件、集成电路和厚膜集成电路等形式。集成和厚膜驱动电路 的使用更加方便，但各种产品的功能、 性能和适用条件也 各不相同。2. 1 EX B 841厚膜驱动电路日本F U JI公司生产 的E X B 840/841具有单电源、正负偏压、过流检测和软关断保护等主要 功能。E X B 841较840的驱动能力 更强,可以直接 使用，也 可以通过电路扩展来驱动大容量I G B T ,如图1所示扩展电路，可驱动 1000A /1200V 等级的 I G -图1由E X B 841扩展的大容量IG B T驱动电路由于驱动大容量的IG B T需要提供较大的 动态栅极驱动电流以保证其 开关 速度

8、，而E X B 841内部的驱动管输出能力有限,尤其是在开关频率较高的情况下,必须通过外部驱动管来扩展功率。E X B 841的负偏压是由内部的5.1V稳压管提供的。但由于内部三极管存在导通电阻和压降，实际其负偏压约在4.5V左右。当母线电压较高时(如600V ,容 易在负栅压信号中出现很大的尖峰干扰引起IG B T误动作。图1中外接的稳压管D 2(5.6V用来保证足够的负偏压。E X B 841的过流检测是依据IG B T的集射极饱和电压与通态电流成比例 的原理设计的。I G B T导通时，通态电流增大,U C E增高，当U C E高于6脚检 测电平时，过流保护启动,5脚输出过流保护信号，延

9、时一定时间后软关断IG BT。U 6=U C E +U D （检测二极管D 1压降对于不同容量的I G B T及不同的 保护过流值,扩展后可加入与D 1串联的稳压管来提高 过流检测电平。2. 2 M57962厚膜驱动电路M 57962是日本M i tsubi shi电气公司的 厚膜驱动电路产品。与E X B 841 同理,可进行驱动输出功率的扩展，如图2所示。图2由M 57962扩展 的大容 量IG B T驱动 电路M 57962采用+15V和-10V电源供电，I G B T关断时可输出-10V的偏压,在频率较高负 载过大，现场环境恶劣的情况下，关断更为可靠。M 57962具有封闭性 软关断功

10、能。通过 外部电容可设定3-6卩的允许短路 时间,以滤除瞬间尖峰扰动;超出允许时间后，立即降低栅极电压进行软关断并发出过流保护信号， 同时启动内部定时器 涎 时I 2m s后,在确认 保护电路已经动 作（输入 低电平后，才 会解除保护动作，恢复正常工作。因此软关断过程不会被输入的关断信号所打断。栅极电阻的选择对IG B T驱动相当重要，影响着开通与关断的性能。R G 小时,可减小开关时 间与开关损耗，但浪涌电压高;R G大时,则相反。一般先根据 厂家手册上推荐的数据，在1倍与10倍之间选 取,再经试验波形来分析确定。2. 3HL 402厚膜驱动电路H L 402A （B是陕西高科电力电子有限责

11、任公司的厚膜产品其内部含- 个具有静电屏蔽层的高速光耦合器，因而使H L 402具有抗干扰能力强，响应速度快，信号隔离电压高等优点。H L 402的输出驱动电压幅值较高，其正向驱动电压可达1517V ,负向驱动电压可达1012V ,适合于驱动150A /1200V功率等级的I G B T 。 H L 402的典型接 线如图3所示5图3由H L 402构成的大容量IG B T驱动电路H L 402具有先降栅压、后软关断的双重保护功能，其降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过外接电容器C 5、C 6、C 7进行整 定,因而能 适应 不同饱和压降IG B T的驱动和保护。在软关断及降栅压的同

12、时还将输出报警信号，以实现对封锁脉冲或分断主回路的保护。2. 4 HC P L316J集成驱动电路H C P L 316J是美国H P公司生产的采用标准S O L -16表面贴装的集成驱动电路产品，典型的应用电路如图4所示。图4由H C P L 316J集成电路构成的驱动电路H C P L 316J的输出部分多采用+15V和-5V双电源供电，用于产生正负脉 冲输出，输出管为三重 复合达林顿结构，集电极开路输出，可以直接驱动150A/1200V的IG B T ,最大开关速度500ns并具有驱动信号光 耦隔离,C O M S /T TL电平兼容，欠压保护,过流软关断等功能。H C P L 316J

13、输入、输出部分各自排列在集成电路的两边。输入部分需要1个5V电源，由P W M电路产生的控制信号加在第1脚,R E SE T脚低电平有效。14脚通过二极管D 1检测I G B T集电极电压来判断过流故障，阀值为7V 。发生过流时,IG B T软关断，故障信号输出由第6脚送至P W M的封锁端，用以及时关闭P W M输出。2. 5 2S D315A驱动模块瑞士 C O N C E P T公司推出 的2SD 315A是一种集成度很高的驱动模块,内部包含两路I G B T驱动电路，可以用于驱动1700V的I G B T ,它具有安全性、智能性与易用性的特点。2SD 315A的内部电路主要可分为三大功

14、能模块,如图5所示。第一块是L D l(Logi C T o D ri ver i n-terf ace ,逻辑驱动 转换接口，它 主要 用于接收控 制侧 的P W M信号，经过处理后传送给下一级；第二块 是I G D (Intel l i gent G at e D ri ver,智能门极驱动器,通过高频隔离 变压器从L D I接收控制信号,经放大等处理 后输出±5V / ±5A (瞬时电流的驱动信号，用于驱动侧大功率IG B T的 控制,每只2SD 315A内部包含两个IG D模块;第三块是输入与输出相互绝缘的D C /D C转换器，它的主要功能是给两路输出通道提供彼此

15、隔离的供电。图中的V D D和V D C都为+15V ,分别为控制侧输入电路和D C /DC转换器供电，驱动模块使用单一的15V电源产生+15V和-15V电压,用于驱动外部I G -B T 。采用变压器耦合隔离,工作频率可高于100k H z，输入输出间交流耐压可达4000V。图5由2SD 315A驱动模块构成的驱动电路以上讨论的几种驱动电路均具有一定的内部保护功能,实际应用时还需要根 据具体的电路拓扑结构、参数以及分布参数设置有效的缓冲电路，以减小 开关器 件的电压、电流和热应力。 必要时还应外加独 立的电压、电流和热检测和保护电 路。3结论文中讨论的5种驱动电路各有功能特点和适用条件。在短路故障发生时，按照 合理的时序进行软关 断动作,是避免故障扩大化并导致I G B T损毁的普遍措施。在开、关过程中,提供足够的动态栅极驱动 电流是提高IG B T开关速度，降低开关损耗的关键,用于 驱动大 容量IG B T时，可以通过 外部电路扩展其驱动功 率。参考文献：1 Steffe n B ernet . R ece nt D evel opm ents of H i gh P ow er C on vert-ers forIn dustry and T racti on A ppi i cati ons J E E E T rans . on P ow er E