电力电子应用技术_第十讲驱动与保护

1、第第10讲讲 功率半导体器件功率半导体器件驱动与保护技术驱动与保护技术 驱动电路概述驱动电路概述 晶闸管与晶闸管与IGCT驱动技术驱动技术 MOSFET与与IGBT驱动电路设计应用驱动电路设计应用 半导体器件应用中的保护技术半导体器件应用中的保护技术驱动电路概述驱动电路概述 驱动电路是连系控制信号与功率信号的桥驱动电路是连系控制信号与功率信号的桥梁，是控制电路与主电路的接口。要充分发挥梁，是控制电路与主电路的接口。要充分发挥功率器件的优良性能，就必须了解驱动电路的功率器件的优良性能，就必须了解驱动电路的特点。特点。 驱动电路与功率器件一起工作，成为弱电驱动电路与功率器件一起工作，成为弱电控制强

2、电的关键。控制强电的关键。 一般驱动电路的特点：一般驱动电路的特点：1. 电气隔离电气隔离2. 驱动功率驱动功率3. 检测保护检测保护4. 故障反馈故障反馈5. 集成度与可靠性集成度与可靠性驱动电路概述驱动电路概述常用的驱动电路实物展示：常用的驱动电路实物展示： 驱动电路概述驱动电路概述驱动电路与功率器件连接展示：驱动电路与功率器件连接展示： 驱动电路概述驱动电路概述驱动电路基本原理：驱动电路基本原理：按照控制信号到功率器件门控极的按照控制信号到功率器件门控极的连接连接方式方式分为直接驱动和隔离驱动分为直接驱动和隔离驱动驱动电路概述驱动电路概述直接驱动法光电耦合隔离驱动方式变压器隔离驱动方式驱

3、动电路概述驱动电路概述晶闸管与晶闸管与IGCT同属于闸流管类；同属于闸流管类；IGBT和和MOSFET属于晶体管类。属于晶体管类。 晶闸管与晶闸管与IGCT驱动技术驱动技术 晶闸管驱动晶闸管驱动门极触发电路要求：门极触发电路要求：1. 保证脉冲宽度保证脉冲宽度2. 保证脉冲幅度和陡度保证脉冲幅度和陡度3. 保证脉冲功率保证脉冲功率 晶闸管与晶闸管与IGCT驱动技术驱动技术MOS与与IGBT是门控电压型器件，工作频率是门控电压型器件，工作频率相对较高。驱动电路功率要求较低，频率要相对较高。驱动电路功率要求较低，频率要求较高。求较高。对于小功率低压的对于小功率低压的MOSFET，一般可以直接，一般

4、可以直接驱动或者通过带自举电路的供电方式进行电驱动或者通过带自举电路的供电方式进行电压隔离工作压隔离工作对于中大功率高压对于中大功率高压IGBT，一般采用电磁或，一般采用电磁或光电隔离的驱动方式工作光电隔离的驱动方式工作 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术MOSFET驱动电路要求：驱动电路要求：1.开关管开通瞬时开关管开通瞬时, 提供足够大电流使提供足够大电流使MOSFET栅源极栅源极电压迅速上升电压迅速上升,保证开关管快速开通且不存在上升沿高保证开关管快速开通且不存在上升沿高频振荡频振荡; 2.开关管导通期间保证开关管导通期间保证MOSFET栅源极间电压保持稳定栅源极间电压保持稳定3.

5、关断瞬间能提供一个尽可能低阻抗的通路供关断瞬间能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断保证开关管能快速关断 4.关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通干扰产生误导通 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术MOSFET驱动驱动常用的常用的MOS驱动器：驱动器：IR2110 自举隔离自举隔离IXDD404 相同两路相同两路TC428 互补两路互补两路 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术IR2110典型连接电路典型连接电路基本原理框图基本原理框图 I

6、GBT(MOSFET)驱动技术驱动技术IXDD404原理框图原理框图短路试验连接图短路试验连接图 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术TC428基本原理框图基本原理框图 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术 IGBT驱动电路要求：驱动电路要求：1. 采用采用正负值正负值驱动电压向栅源极供电，保证驱动电压向栅源极供电，保证开关管可靠开通和关断。开关管可靠开通和关断。2. 降低驱动电路阻抗，以提高栅极充电放电降低驱动电路阻抗，以提高栅极充电放电速度，从而提高逆变主回路和控制电路的速度，从而提高逆变主回路和控制电路的开关速度。开关速度。3. 保证主电路与控制电路隔离。具有较强的保证主电路与控

7、制电路隔离。具有较强的抗干扰能力。抗干扰能力。 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术 常用常用IGBT驱动器驱动器1. M57962L 、EXB841 单路驱动厚膜电路单路驱动厚膜电路2. 2SD315、SKHI22AH4两路驱动集成模块两路驱动集成模块3. 6SD312、 SKHI61 六路驱动集成模块六路驱动集成模块 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术厚膜驱动电路厚膜驱动电路 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术M57962L原理图原理图 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术集成驱动模块集成驱动模块2SD315原理框图原理框图SK

8、HI22A IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术6SD312 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术 IGBT(MOSFET)驱动电路设计实例驱动电路设计实例1. 在开始设计之前全面了解所选器件的参数在开始设计之前全面了解所选器件的参数 2. 在线路设计阶段必须进行热设计在线路设计阶段必须进行热设计,保证器保证器件工作在安全工作区件工作在安全工作区 3. 尽量缩短开关时间，将开关损耗降到最低尽量缩短开关时间，将开关损耗降到最低 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术STEP1. 器件选型器件选型3.3 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术CrssCissCoss 除了了解器件的耐压

9、电流等容量参数，还需特别注意寄生电容和引线电感对开关波形的影响Ciss=Cgs+CgdCrss=CgdCoss=Cgd+Cds 1、Ciss对驱动电路影响最大2、Coss对输出电压的波形有影响。3、Crss使得漏极的电压变化对门极产生影响。STEP2.功率损耗计算功率损耗计算3.3 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术1、确定输入电容CINCIN 3-5 CISS2、输入电容储存能量WW = CIN V23、驱动器件所需功率PP = fc CIN V2或者 P = fc Q V4、确定门极输入电流IGIG V / RG设计一个工作频率设计一个工作频率5khz，200A电流耐量的电流耐量的I

10、GBT驱动电路。（驱动电路。（BSM200GB120DN2) IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术1、CIN 3-5 CISS 5 13 nF,= 65nF 2、P = fc CIN V2 = 5k 65n 900 = 0.2925W3、IG V / RG= 30/4.7=6.4A4、设计IGBT驱动电压为+15V，考虑驱动电路的自身损耗，驱动功率加上0.5-1w的余量STEP3. 具体电路设计具体电路设计 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术常用门极连接电路图具体设计考虑的问题：具体设计考虑的问题：1、独立电源供电、独立电源供电2、开通关段过程时间、开通关段过程时间3、门极脉冲整形、

11、门极脉冲整形 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术 IGBT动态性能与门极驱动电路设计有动态性能与门极驱动电路设计有关的问题：关的问题：1.主器件的开关损耗主器件的开关损耗2.二极管恢复的影响（开关损耗、电压瞬变、电路二极管恢复的影响（开关损耗、电压瞬变、电路噪声）噪声）3.直流环节电感与电压瞬变直流环节电感与电压瞬变4.短路保护电路短路保护电路5.关断状态的关断状态的dv/dt保护保护 IGBT(MOSFET)驱动技术驱动技术 半导体器件保护技术半导体器件保护技术功率半导体器件损坏的主要原因：功率半导体器件损坏的主要原因：1.过压过压2.过流过流3.过热过热4.超结构应力超结构应力1.过

12、压保护过压保护（1）防止驱动电压过压造成门极损坏）防止驱动电压过压造成门极损坏避免门极与漏极间的阻抗太高，这样可能由于干避免门极与漏极间的阻抗太高，这样可能由于干扰或者扰或者dv/dt引起门极击穿而损坏器件。引起门极击穿而损坏器件。 适当降低门极阻抗，在门极与漏极间并接适当降低门极阻抗，在门极与漏极间并接15-20V的稳压管。的稳压管。 存储和使用过程中避免门极开路。存储和使用过程中避免门极开路。 半导体器件保护技术半导体器件保护技术防止静电击穿防止静电击穿对于绝缘栅极器件，很容易发生静电击穿。在对于绝缘栅极器件，很容易发生静电击穿。在使用和存储时要格外注意保护。使用和存储时要格外注意保护。1

13、.用静电包装袋存储用静电包装袋存储2.接入电路前工作台要良好接地接入电路前工作台要良好接地3.测试时，测量仪器良好接地测试时，测量仪器良好接地4.防止偶然性振荡损坏器件防止偶然性振荡损坏器件 半导体器件保护技术半导体器件保护技术（2）防止主电路过压造成门极损坏）防止主电路过压造成门极损坏首先保证器件的容量符合所设计的系统，在有效首先保证器件的容量符合所设计的系统，在有效成本控制的情况下，留出足够的电压余量。成本控制的情况下，留出足够的电压余量。要注意器件关断时产生的要注意器件关断时产生的di/dt导致的尖峰电压，导致的尖峰电压，可以采取稳压管箝位、加缓冲电路等方法抑制。可以采取稳压管箝位、加缓

14、冲电路等方法抑制。 半导体器件保护技术半导体器件保护技术2.过流保护过流保护负载的突然变化会产生很高的冲击电流，必须通负载的突然变化会产生很高的冲击电流，必须通过电流传感器检测或者饱和压降检测来确定过流过电流传感器检测或者饱和压降检测来确定过流的范围并且实现保护。的范围并且实现保护。传感器检测是对于系统来说的保护，防止因为过传感器检测是对于系统来说的保护，防止因为过流损坏器件后又损坏其他的设备。流损坏器件后又损坏其他的设备。饱和压降检测才是能够对器件起到保护的检测方饱和压降检测才是能够对器件起到保护的检测方法。法。 半导体器件保护技术半导体器件保护技术3.过热保护过热保护由于半导体器件工作性能受节温的影响非常大，由于半导体器件工作性能受节温的影响非常大，必须保证器件的工作温度不超过允许节温。必须保证器件的工作温度不超过允许节温。器件的工作损耗会导致温度升高，环境的温度也器件的工作损耗会导致温度升高，环境的温度也能引起节温变化，器件在工作时必须保证很好的能引起节温变化，器件在工作时必须保证很好的散热。散热。 半导体器件保护技术半导体器件保护技术总结总结功率半导体