绝缘栅双极型调制管igb的驱动和保护

绝缘栅双极型调制管igb的驱动和保护

绝缘体圈双极体（igdt）是近年来开发的半导体装置。它结合了mosfi和功率矩阵gtr的优点。输出端的可靠性高，开关频率高（10.40hz），最大电流能力强，隔离不良，缩短和快速驱动。它是目前发展最快的开发最小多功能设备之一。它被广泛应用于各种电机控制装置、连续电源、医疗设备和逆变器的领域。igdt的维护和保护是其应用的中心技术。在这项工作中，我们详细研究了。1igbt的等效电路IGBT是在功率MOSFET漏区加入P+N结构构成的,导通电阻降低到普通功率MOSFET的1/10,其等效电路如图1所示.其中R是厚基区调制电阻,IGBT可认为是由具有高输入阻抗、高速MOSFET驱动的双极型晶体管.图2(见下页)为IGBT的电气特性(IGBT为200A/1200V),图2a是集射电压UCE与集电极电流IC的关系,图2b是栅极电压UGE与集电极电流IC的关系曲线.2igdt栅极驱动程序2.1uge对igbt通态电压的影响IGBT为电压控制器件,从其电气特性图2b可知,当UGE≥UGE(th)(UGE(th)为阈值电压)时,IGBT即可开通,一般情况下UGE(th)=5~6V.由图2a可知,当UGE增加时,通态电压UCE减小,通态损耗减小,IGBT承受短路电流能力减小;当UGE太大时,可能会引起栅极电压振荡,损坏栅极.所以,在实际应用中应折中考虑栅极电压的选取,为获得通态压降小,同时IGBT又具有较好的承受短路电流的能力,UGE应折中取12~15V为宜,12V最佳.在需要IGBT关断期间,为提高IGBT的抗干扰能力及承受di/dt上升率能力(其中i为电流,t为时间),保证其可靠地关断,最好给栅射极间加5~10V的负偏压,过大的反向偏压会造成IGBT栅射极反向击穿.2.2rg时长对igbt开关时间和开关损耗的影响为抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡,减小开关di/dt和IGBT集电极尖峰电压,应在栅极串联一个电阻RG.在选取RG值时,应根据IGBT电流容量和电压额定值以及开关频率选取.当RG过大时,IGBT的开关时间延长,开关损耗加大;RG减小时,IGBT的开关时间和开关损耗减小;但当RG过小时,可导致栅源之间振荡,IGBT集电极di/dt增加,引起IGBT集电极尖峰电压,使IGBT损坏.通常选取RG值在几欧姆到十几欧姆之间,如10Ω、15Ω、27Ω等.2.3igbt中的保护在IGBT开通期间,其集电极会经常出现振荡电压,通过栅-集电容的联系,栅极电压也会受到影响,可能导致UGE超过阈值电压UGE(th),引起IGBT误导通,而且当UGE一旦产生过电压(IGBT栅极耐压约20V)就会损坏IGBT.为防止这类现象的发生,可采取在栅射极之间并联稳压二极管或电阻RGE的方法.因稳压二极管有很大的结电容,影响IGBT的开关速度,所以并联稳压二极管的方法在IGBT高速工作时需要增大驱动电流.3igdt保护电路3.1主电路纱线杂散音IGBT关断时的换相过电压,主要决定于主电路的杂散电感及关断时的di/dt.在正常工作时di/dt较低,通常不会造成IGBT损坏,但在过流故障状态时,di/dt会迅速增大产生较高的过电压,所以应尽量减小主电路布线杂散电感,以减小因di/dt过大产生的过电压.可以采取的措施有:直流环节的滤波电容应靠近IGBT模块,滤波电容至IGBT模块的正负极连线尽量靠近;采用RCD电路吸收过电压尖峰,而且电容和电阻均应采用无感电容和无感电阻,吸收二极管D应为快速恢复器件,吸收电路直接连接到IGBT的相应端子上.3.2负载短路故障的保护当过电流小于工作电流的2倍时,可采用瞬时封锁栅极脉冲的方法来实现保护.当过电流的倍数较高时,尤其是发生负载短路故障时,加瞬时封锁栅极脉冲会使di/dt很大,在回路杂散电感上感应出较高的尖峰电压,RCD吸收电路很难彻底吸收此尖峰电压.为此,在保护中应采取软关断措施使栅极电压在2~5μs降至零电压,目前常用的IGBT驱动模块内部均具有此过流软关断功能.4驱动电路4.1dz1稳压管图3是由分立元件构成的IGBT驱动电路.光耦采用小延时高速型光耦,T1和T2组成图腾结构的对管(T1、T2选用三级管的放大倍数β>100的开关管),DZ1选用5V/1W的稳压管.当输入信号到来时,T2截止,T1导通,对IGBT施加+12V栅极电压;当输入信号消失时,T1截止,T2导通,5V稳压管为IGBT提供反向关断电压;稳压二极管DZ2、DZ3的作用是限制加在IGBT栅射间的电压,避免过高的栅射电压击穿栅极.此电路结构简单,可用于驱动小功率变换器中的IGBT.4.2日本爱国公司采用的系统目前生产IGBT的几个主要厂家都开发了与之配套的驱动模块电路.如富士的EXB系列、东芝的TK系列、莫托罗拉的MPD系列和惠普HCPL系列等.这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定和故障信号输出的功能.应用这类模块可提高产品的可靠性能.图4是EXB841模块驱动IGBT的应用电路.EXB841是日本富士公司设计的可驱动高达400A/600V和300A/1200V的IGBT,最高工作频率为40kHz.内装用于高隔离电压的光耦合器,采用+20V直流单电源供电,可产生+15V开栅电压和-5V关栅电压,内部装有过流检测电路和软关断电路,过流检测电路可按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过流,当IGBT的电流超过设定值时,软关断电路低速切断电路,保护IGBT不被损坏.在图4中,端脚6用于监测集电极电压,从图2a可知,当UGE不变,通态电压UCE随集电极电流增大而增高,所以可用检测UCE作为过流的判断信号,当IGBT的UCE过高(一般达7V)时则出现过流信号,此信号经过流检测电路10μs检查(IGBT能抵抗10μs短路电流),滤除其中的干扰信号,确定为过流时,端脚5信号由高电平变为低电平,光耦TLP521工作,发出过流保护输出,封锁驱动输入信号,切断IGBT.此电路在作者研制的3