H桥IGBT栅极驱动设计与应用-图文

太原科技2009年第1期锻。咿凹蕊触囝@嘶嘲伽文章编号:1006--4877(200901-0087—03应用技术一I?。一蝌*“o锯。争,黔鼎*㈣净瀚,商蜘;霸翰辨鳓蜘s糯麟娩煳鳜H桥IGBT栅极驱动设计与应用王志坚(山西国营大众机械厂第一研究所,山西太原030024摘要:以具体实例对H桥IGBT栅极驱动电路的设计做了分析.得出IGBT的驱动条件是栅极正电压、栅极负电压、栅极串联电阻与其主要运行特性的关系,并推导出H桥IGBT栅极驱动电流、驱动功率、栅极电阻的计算公式及死区时间的确定方法。为驱动电路的设计提供了可靠依据。关键词:H桥;IGBT;栅极;驱动电路中图分类号:TM383.6文献标志码:AIGBT全称是绝缘栅双极晶体管。是MOS栅器件结构同双极晶体管相结合进化而成的电压控制型复合功率开关器件。它既有MOS栅器件易驱动的特点.又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。由于IGBT的饱和压降、开通和关断瞬间集电极电压,电流的上升、下降速率等主要运行特性是随着IGBT的驱动条件(栅极正电压、栅极负电压、栅极串联电阻而变化的,因此,在工程研制阶段合理选择IGBT的驱动条件显得尤为重要。IGBT的驱动条件与主要运行特性的关系。见表l。1.1栅极正电压(+y硒在工程研制阶段,+y四的设计应考虑以下几方面:第一,+Vae的设计应在IGBT允许的(G—E间最大额定电压y萨+20V范围内。第二,+VcE的推荐值为+15V.此时IGBT可饱和导通且损耗较小;若小于+12V则通态损耗增大:若大于+20V收稿日期:2008一ll一22;修回日期:2008—12~22作者简介:王志坚(1969一,男,太原清徐人。1993年7月毕业于太原理工大学,工程师。表1IGBT的驱动条件与主要运行特性的关系则易过电流。第三。+Vce的设计值还必须在栅极驱动电路中器件允许工作电压范围之内。第四,电源电压的波动推荐在±10%范围内。第五,IGBT饱和导通期间的C—E间电压矿曲㈥随+y凹变化,+y盘越大,y甜㈦越小。第六,+VcE越大,开通时间和开通损耗越小。第七,+y旺越大,使开通时di/dt越大.增加续流二极管FWD反向恢复时的浪涌电压。第八.因FWD反向恢复时的如他会使IGBT误导通,形成脉冲式的集电极电流,造成损耗增加,发热严重。第九,通常+Vcg越大,IGBT短路电流值也越大。第十,+y衄越大,IGBT短路耐受能力越小。1.2栅极负电压(一y口在工程研制阶段,一y∞的设计应考虑以下几方面:第一,一y硒的设计应在IGBT所允许的(G—层间最大额定电压y∞=一20V范围内。第二,一y∞的推荐值为一5~15V。第三,一y衄的设计值还必须在栅极驱动电路中器件允许工作电压范围之内。第四,电源电压的波动推荐在±10%范围内。第五,一y船越大。关断时间和关断损耗越小。第六,一y循的设计可使IGBT在噪声情况下有效关断。同时避免因山他造成的误导通。1.3栅极串联电阻(尺。在工程化设计中,尺。的取值对IGBT的动态运行特性有重要影响。首先,尺。值越大,控制脉冲的妞用技术太原科技2009年第1期镪。曾&燃囝@蚪椎@衄磅燃唯嬲稍嘴擘凇警镑^砖替理辅骼煳掰瑶x4表、0≯t前、后沿陡度越小,开关时间和开关损耗就越大。其次,尺。值越大,相反浪涌电压会越小,使出他误导通现象不易出现。2IGBT的栅极电荷及驱动电流IGBT本身具有MOS栅器件结构.IGBT在开通或关断时必须具有一定的栅极充放电电流.即栅极驱动电流。而栅极充电电荷量(即驱动IGBT所需的电荷量直接影响着驱动电流的大小,因此,可以通过栅极充电电荷量特性(见图1来求栅极驱动电流。驱动电路原理框图见图2,脉冲输入及电压、电流波形见图3。图3中电流波形所表示的面积应与图1中的充放电电荷量相等。脉冲输y“o/+y朗/L/Qg:充放电电荷量。/r匕Q—Vc.图1栅极充电电荷量特性图2驱动电路原理框图味冲绘^厂———O—N]Q竖脉冲输入——JL——翌_L充电电荷量放电电荷量图3脉冲输入及电压、电流波形驱动电流的峰值IGP可由式(1求出拓+y矿l-VcEl肛c+尺。。(1式中,+VcE为电源正电压;一y循为电源负电压;足。为驱动电路栅极电阻;R。为IGBT内部栅极电阻。在图l中。y“从0开始上升的斜率基本与IGBT输入电容巳等效.而负电压部分可作为延长考虑。因此,驱动电流的平均值如求取为+,产一J0气『:×(17,(乙×i-VcE1。(2式中,Q是从0到+y蕊的充电电荷量;氏为IGBT的输入电容;.f为载流子频率;一Vcr为电源负电压。由IGBT开通、关断时驱动电路发生的损耗.可近似求取驱动电路的功率R,R(洲2PG(岍2肛f毒Qf+‰f+专以xI—V船㈠。(3式中,R(洲为IGBT开通时驱动电路的损耗;R(肝为IGBT关断时驱动电路的损耗。如丢×(GI+y∞I+巳×l—y埘I‘。(4在工程设计中,为求取尺g值,可认为驱动电路发生的损耗全由栅极电阻以热形式消耗。R。值具体计算为'Re=PG/lco(、5、式中,厶为栅极驱动平均电流值。因此。在驱动电路的工程设计中。可依据上述内容分析计算。选取合理的IGBT驱动电路。3死区时间的确定对于图4中H桥双极模式的IGBT功率转换电路.其特点是在一个开关周期内。作用在电机电枢上的电压极性是正负交替的。其中4个功率管分为两组,y。和y。为一组,y:和y,为一组,同一组中的两个功率管同时导通或关断.两组功率管是交替地轮流导通和截止的,亦即栅极驱动信号,巩1.‰,%=‰。栅极驱动波形见图5,其中,A为魄。图4H桥双极模式IGBT功率转换电路图5栅极驱动波形阮叱应用技悉太原科技2009年第1期被口曾凹凰嗍s@o坷喝@啪谢~咏”M铘姆㈣郴徽峨辄蝴嗍们榭蝴州蝴岫耀蛾嘲(%的波形,B为%(%的波形。为避免同侧上下桥臂两单管IGBT出现瞬间短路现象(又称直通现象,产生不必要的发热,造成器件损坏。工程设计中必须考虑在每个单管IG—BT开通前保留一定的死区时间。一般死区时间要大于关断时间,通常取3斗s以上。在死区时间段内,同侧上下桥臂两单管IGBT栅极驱动均为负.处于完全截止状态。4H桥lGBT栅极驱动电路应用举例在某型号武器系统中。采用了Aegilent生产的A一3120光电耦合器件对H桥功率转换电路IGBT进行栅极驱动。‘4.1A一3120主要特性第一,栅极驱动电流峰值是2.0A,持续1.5A;第二,共模暂态噪声抑制(CMTR转态速率是dVc耕/dt=15kV/斗s,幅值y萨l500V;第三,输出供电电压为15~35V;第四,A一3120传输延迟为0.5斗s。4.2H桥IGBT栅极驱动电路图6为H桥IGBT栅极驱动电路。VDC表2对H桥功率转换电路lGBT进行栅极驱动的各电参数+忙一,c云f×19,CD,Xl--VGEI=1/65x10南x(2.4x104+1.5xlO。9x5=38.077mA。通常在工程设计中。为使驱动电路的驱动能力留有一定余量。可取驱动电流为其计算平均值的3~5倍。由IGBT开通、关断时驱动电路发生的损耗,可近似求取驱动电路的功率R(洲2戌(0fF2肛f丢QI+y诬I+寻巳×I—V∞I21。(6式中,R(刚为IGBT开通时驱动电路的损耗;R(0fF为IGBT关断时驱动电路的损耗。图6H桥IGBT栅极驱动5IGBT栅极驱动电参数在该系统中.对H桥功率转换电路IGBT进行栅极驱动的各电参数见表2,则驱动电流的峰值,G尸为枷+y础+I—yGEI/Rc+R产18+5/16=1.5A。驱动电流的平均值,c为R(洲《×(Q。I+VGEl+c曲XI—y曲f2=1/65x10-6x(2.4x10-6x18+1.5x104×25=670.38mW。在工程设计中.为求取栅极电阻尺。值,可认为驱动电路发生的损耗全由栅极电阻以热形式消耗。尺。值约为参考文献:【1】冯国楠.现代伺服系统的分析与设计【M】.北京:机械工业出版社.1990.【2】徐承忠,王执铨,王海燕.数字伺服系统【M】.北京:国防工业出版社.1994.(责任编辑王雅利(英文部分下转第93页89应用技术太原科技2009年第1期张口v叫蕊阅岛@n胛匡@咖.t:。r,v“9、:气一2;Ft“。.tju#-{豁。4"q巍晦珊确zt黼魏《强1.6栅,焊接电流140A左右,电弧电压18~21V,采用断续焊接方式.从而达到焊道受热均匀,防止零件变形。4每一道焊缝及层间温度控制在200%左右,焊后保温lh后空冷。4结论零件经焊接并采用以上工艺返修后,使用中,未发现因补焊而引起的质量问题,说明40Cr钢零件采用热量集中的钨极氩弧焊以及配合合理的辅助工艺.既可避免热影响区出现大量的淬硬组织而使零件脆化。又减少了软化区,从而保证了零件的强度不受影响。参考文献:it]陈祝年.焊接工程师手册【M】.北京:机械工业出版社,2002.【2】中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M】.北京:机械工业出版社,1993.(责任编辑张璇WeldingofSpecial-shaped40CrSteelPiecesZHAOHai..xia(ShanxiCoalMachineryAssemblyofCoalResearchInstitute,Taiynan030006,ChinaAbstract:Throughanalyzingtheweldabilityofsome40Crsteelpieces,theauthorintroducedtheweldingmethodsandmethodofidentifyingweldingprocessparameters,Alsotheauthorputforwardsomecountermeasuresonweld-inginrepairwork.Keywords:weldability;carbonequivalent;heatinput;repairprocess(上接第91页压煤开采技术的研究【D】.北京:中国矿业大学,2001.【51郭文兵.深部大采宽务带开采地表移动的预计Ⅱ】.煤炭学报,2008,33(4:368-372.【6】邓喀中,张冬至,张周权.深部开采条件下表沉陷预测及控制探讨Ⅱ1.中国矿业大学学报,2000,29(1:52—55.【7】刘叉新,郭文兵,孟伟峰,等.深部条带开采的开采深度探讨U1矿业快报,2007,460(8:6—7.郭文兵,邓喀中,邹友峰.条带开采地表移动参数研究Ⅱ1煤炭学报,2005,30(2:182-186.郭文兵,邓喀中,邹友峰.我国条带开采的研究现状与主要问题Ⅱ】.煤炭科学技术,2004,32(8:7—11.(责任编辑刘婷PredictedResearchofSurfaceMovementinDeepStripMiningBAOHong-Bo,LIKun-peng(SurveyingandLandInformationCogegeofHenanUniversityofScienceandTechnology,Jiaozuo454003,ChinaAbstract:stripmining,asoneofthemaintechnicalmeasuresof”underthebuilding,undertherailway,underthewater”iSwidelyusedincoalminingareainChina.Onthebasisofmuchoftheliterature,wediscussedthead—vaneedtheoriesandmethodsofpredictedresearchofsurfacemovementindeepstripmining,widthanddepthofde印stripmininganditsdeterminingmethodofpredictedparameters.Alsowediscusseditsresearchprospect.AnddeterminedtheparametersofmethodstOexploren】edeepstripminingprospecLKeywords:deepmining;stripmining;surfacemovement(上接第89页DesignandApplicationofHBridgeIGBTGridDriveWANGZhi-jian(ShanxiFirstInstituteofState—runPublicMachineryFactory,Taiyuan03∞24。ChinaAbstract:Inthispaper,theauthortookHbridgeIGBT咖ddriveasacOncreteexampleandcametotheconclu-sionthattheIGBTdriveconditionsarepositivevoltageofgrid,negativevoltageof鲥d,seriesresistanceof鲥dandtherelationsbetween鲥dand