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文档简介
1、IGBT驱动电路性能分析Analysis on the Performance of IG B T Driving Circuit山东工业大学尹海李思海张光东(济南250061摘要:阐述了对IG B T驱动器的基本要求,介绍了IG B T驱动器的各种电路形式及特点,指出了使用时应注意的问题。Abstract:The paper describes the basic requirements for IG B T driving circuit and its various circuit forms and characteristics.The problems which should
2、 be noticed in a pplication are pointed out.叙词:绝缘栅双极晶体管驱动电路K eyw ords:IGBT;driving circuit1引言近年来,新型功率开关器件IG B T已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比,IG B T目前在综合性能方面占有明显的优势,并正越来越多地应用到工作频率为几十千赫、输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置中。然而,在IG B T的使用过程中,发现了不少影响IG B T推广使用的问题,其中之一就是IG B T驱动电路的合理选择和正确设计问题。2IGBT驱动器的基本要求一个理想的IG B T驱动器应具有
3、以下基本性能:(1动态驱动能力强,能为IG B T栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当IG B T在硬开关方式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长,开关损耗越大。器件工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过IG B T通态损耗,造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IG B T的开关频率和输出能力,同时对IG B T的安全工作构成很大威胁。IG B T的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IG B T的栅源特性呈非线性电容性质,因此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使IG B T栅源电压建立或消失得足够快,从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面,驱动器内阻
4、也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。(2能向IG B T提供适当的正向栅压。IG B T导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下,u GS越高,u DS就越低,器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的工作能力。但是,u GS并非越高越好,一般不允许超过20V,原因是一旦发生过流或短路,栅压越高,则电流幅值越高,IG B T损坏的可能性就越大。通常,综合考虑取+15V为宜。(3能向IG B T提供足够的反向栅压。在IG B T关断期间,由于电路中其它部分
5、的工作,会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的IG B T处于微通状态,增加管子的功耗,重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此,最好给应处于截止状态的IG B T加一反向栅压(幅值一般为515V,使IG B T在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。(4有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中,IG B T与工频电网有直接电联系,而控制电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器中的IG B T的工作电位差别很大,也不允许控制电路与其直接耦合。因此,驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作,同时有利于维修调试人员的人身安全。但是,这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。(5
6、具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。IG B T栅极极限电压一般为±20V,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后,另一方面能提高保护的快速性。(7电路简单,成本低。(8IG B T损坏时,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。IG B T烧毁时,集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路,从而破坏其中的某些元件。由于IG B T承受过流或短路的能力有限,故IG B T驱动器还应具有如下功能:(9当IG B T处于负载短路或过流状态时,能在IG B T允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流,实现IG B T的软关断。其目的
7、是避免快速关断故障电流造成过高的d i/d t。在杂散电感的作用下,过高的d i/d t会产生过高的电压尖峰,使IG B T承受不住而损坏。同理,驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响,即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时,无论此时有无输入信号,都应无条件地实现软关断。在各种设备中,二极管的反向恢复、电磁性负载的分布电容及关断吸收电路等都会在IG B T开通时造成尖峰电流。驱动器应具备抑制这一瞬时过流的能力,在尖峰电流过后,应能恢复正常栅压,保证电路的正常工作。(10在出现短路、过流的情况下,能迅速发出过流保护信号,供控制电路进行处理。3IG BT驱动器的电路形式及特点目前
8、,供IG B T使用的驱动电路形式多种多样,各自的功能也不尽相同。从综合的观点看,还没有一种十全十美的电路。从电路隔离方式看,IG BT驱动器可分成两大类,一类采用光电耦合器,另一类采用脉冲变压器,两者均可实现信号的传输及电路的隔离。下面以日本富士公司的EXB841驱动器为例,简单说明光电耦合驱动器的工作原理(见图1。图中+20V驱动电源通过R1和V5分为+15V及+5V两部分。当来自控制电路的控制脉冲进入光电耦合器V1后,放大器使V3导通, IG B T栅极即得到一个+15V驱动信号并导通。当控制信号消失后,V4导通,此时IG B T即得到一个-5V的栅源电压并截止。IG B T在导通期间过
9、流时,会脱离饱和状态,此时,u DS升高。驱动器内的保护电路通过V6检测到这一状态后,一方面在10s内逐步降低栅压,使IG B T 进入软关断状态,另一方面通过光耦V2向控制电路发出过流信号 。图1采用EX B841的IG B T驱动器光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的,由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制,而且可以较容易地通过检测IG B T通态集电极电压实现各种情况下的过流及短路保护,并对外送出过流信号。目前国内外都趋向于把这种驱动器做成厚膜电路的形式,因此具有使用较方便,一致性及稳定性较好的优点。其不足之处是需要较多的工作电源。例如,全桥式开关电源一般需要四个工作电源
10、,从而增加了电路的复杂性。驱动器中的光电耦合器尽管速度较高,但对脉冲信号仍会有1s 左右的滞后时间,不适应某些要求较高的场合。光电耦合器的输入输出间耐压一般为交流2500V,这对某些场合是不够的。例如,许多逆变焊机的输出直接反馈到控制电路,而国家的有关标准却规定焊机输入输出之间应能承受交流4000V电压,从而给电路的设计增加了困难。另外,一旦IG B T烧坏,驱动器通常也随之烧毁,从而增加了维修的复杂性及费用。与之相反,变压器耦合驱动器的特点是不必专设工作电源且速度高,输入输出间耐压可做得较高,成本较低。图2示出两种变压器驱动器的电路,显然电路结构比较简单。其中图2b 电路适用于半桥式或全桥式
11、逆变器,其电路结构决定了同一桥臂的两只IG B T 不会同时得 到正向栅压,从而保证了逆变器不会发生直通现象。变压器耦合驱动器信号延迟很小,从实验结果来看,只有几个纳秒,响应速度很快。 图2两种变压器驱动器电路图2电路的缺点是IG B T 关断期间不能得到持续的反向栅压,故抗干扰能力较差。图3所示的驱动电路较好地解决了这个问题。图中V 1及C 1为IG B T 提供反向栅压,其数值由V 1稳压值而定。变压器耦合驱动器的缺点是不能自动实现过流保护,不能实现任意脉宽输出。这种驱动器对变压器的绕制要求严格,必须尽可能改善初、次级的耦合,否则效果不好。图3变压器耦合驱动器为了进一步完善变压器耦合驱动器
12、的功能,以适应更多的应用对象,可利用信号调制解调原理,脉冲变压器工作在高频状态(几百千赫,变压器初级的脉冲幅度随控制信号的有无而变化,而变压器次级则有整流器和鉴幅器。这样,次级电路可以根据高频脉冲的幅值对控制信号进行复原。变压器除实现了信号传输外,还实现了驱动电源的输送,从而为实现各种保护功能提供了基础。美国Unitrode 公司推出的UC3724/3725即是一种典型的电路。表1列举了目前市场上可见的若干种驱动器,其功能大致相同,但也有许多不同之处14。另外,目前市场上还有一种专用驱动器,可驱动一个桥臂上两只IG B T ,如美国IR 公司的IR2110及德国西门康公司的SKHI21。表1现
13、有市售驱动器项目驱动器日本富士EX B841日本英达HR065日本三菱M57959L 57962L中国西安HL402美国UnitrodeUC37243725隔离方式光耦光耦光耦光耦变压器附加电源(V +20+25+18,-10+25-输出高电平(V +14.5+16+18+14+915输出低电平(V -4.5-8-10-90最高工作频率(kHz 40204040-隔离电压(V AC 2500250025002500-最大输出电流(A 4 2.52/52-最大吸收电流(A 1<11.4-1-定时逻辑栅压控制无有有无无4用IGBT 驱动器需注意的问题除上述问题之外,在使用IG B T 驱动器
14、时,还要注意其它一些问题,即如何妥善处理过流保护问题。在图1所示电路中,二极管V 6的选取是很重要的。它必须是快速二极管,其反向耐压至少应与IG B T相同,而且其正向压降对IG B T 保护点的设定关系甚大。例如,富士EXB系列驱动器要求V6的正向压降为3V,如果我们选用了其它压降低的二极管,则IG B T就不能得到有效的保护。相反,如果我们想降低IG B T 的保护点,则可以采用多只串联的办法,增加V6的正向压降。另外,各厂家生产的IG B T的传输比各不相同,因此,用一个厂家生产的驱动器去驱动另一个厂家的IG B T,应考虑对二极管V6的正向压降作相应调整。有些厂家生产的驱动器(EXB系
15、列不具备定时逻辑栅压控制的功能。在过流状态下,若驱动器的入口信号消失,则其出口信号也随之消失。这样,过流状态下的IG B T易被损坏。因此,需要在外部电路中采取措施,以保证过流时驱动器的入口驱动脉冲有足够的宽度,使IG B T在驱动器的软关断作用下可靠完成关断过程。另一方面,对于具有逻辑栅压控制的驱动器(如HR065而言,在某些情况下也有人为造成桥臂直通的危险。IG B T开通时往往会流过一些正常的尖峰电流,因此,驱动器一般对短时间过流都不予以保护。例如,笔者在实验中发现,在IG B T过流开通4s之后,EXB841才会对过流进行保护。另外,发生过流后,驱动器送出保护信号并通过光电耦器送到控制
16、电路时也有几个微秒的延迟。因此,目前的驱动器对窄脉冲过流还是无能为力的,仍需要通过其它手段实现保护。5结论综上所述,在设计电路时,应清楚地了解各种驱动器的特点,根据实用需要进行正确选择,减少盲目性。对于变频器一类输出对输入有直接电联系的设备,由于逆变器对地直接短路的危险性比较大,而且IG B T关断等待时间比较长,故采用光耦隔离式驱动器比较合适。而对于一般的开关电源(如逆变焊机、通信电源等,由于其采用的IG B T直接对地短路的可能性很小,因此只要能保证不发生逆变电路桥臂直通,并采用电流互感器进行过流保护,IG B T就不会受到过流威胁。此类设备一般工作频率都比较高,因此从技术、经济上综合考虑,采用变压器驱动器比较合适。参考文献1钱文明等.用于IG B T的专用集成电路驱动器HR065的设计原理与应用研究.电气传动,1995(2:2328.2盛祖权等.具有完善短路保护功能的IG B T驱动器HL402.电力电子技术,1995,29(4:7476.3何湘宁.IG B T逆
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