IGBT集成驱动电路及其功率扩展

1、第 28卷 第 3期 2005年 9月电 子 器 件C hi nese Journal of E l ect ron D evi cesV ol .28N o.3 Sep. 2005Integ rate D riv e r C ircu its o f IG B T and Ex tende d Po w erDENG Y u -hang , HAN M in g -wu , Y ANG W e i(De partm ent o f Ele c tric al Engine ering , Harbin Institute o f Te chno log y , H arb in 150001

2、, Ch ina Abstrac 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 current of e

3、ach ci rcui t are anal yzed . A vari ety of extended ci rcui ts f or dri vi ng h i gh -pow er I G B T are present.Ke y wo rds :I G B T ; dri ve ci rcui t ; over current protect i on ; ext ended 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

4、应 用特点,介绍了 E X B 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

5、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 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。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。1IG 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

6、 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 B T 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 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, 一 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

7、 :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 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

8、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 -B T 。 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,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

9、 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

10、出过 流保 护 信 号,延 时一定时间后软关断 IG B T 。 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

11、-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 功能。通过 外部 电 容可 设定 3-6s 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;延 时 l 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

12、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. 3 HL 402厚膜驱动电路H L 402A (B 是陕 西高 科电 力 电子 有 限责 任 公 司的厚 膜产品,其内 部含 一个具 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

13、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 PL316J 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

14、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 T L 电平 兼容,欠 压保护,过流软关断等功能。H C P L 316J 输 入、 输 出部 分 各自 排

15、 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

16、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 能 模 块,如图 5所示。 第一块是 L D I(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 ±15V /±15A (瞬 时

17、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 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

18、 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 Steffen B ernet . R ecent D evel opm ents of H i gh P ow er C onvert-ers for Industry and T racti on A ppl i cati ons J .IE E E T rans . on P ow er E l ectroni cs, N ov 200