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IGBT驱动电路原理与设计技巧详解

出处:电子市场 发布于:2017-06-06 14:38:52 | 1394 次阅读

    本文着重介绍三个IGBT驱动电路。驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大,以驱动IGBT,保证IGBT的可靠工作,驱动电路起着至关重要的作用,对IGBT驱动电路的基本要求如下:

  (1) 提供适当的正向和反向输出电压,使IGBT可靠的开通和关断。

  (2) 提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。

  (3) 尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率。

  (4) 足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

  (5) 具有灵敏的过流保护能力。

  驱动电路EXB841/840

  EXB841 工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT正常开通,VCE下降至3V左右,6脚电压被 钳制在8V左右,由于VS1稳压值是13V,所以不会被击穿,V3不导通,E点的电位约为20V,二极管VD截止,不影响V4和V5正常工作。

  IGBT驱动电路原理与设计技巧详解

  当 14脚和15脚无电流流过,则V1和V2导通,V2的导通使V4截止、V5导通,IGBT栅极电荷通过V5迅速放电,引脚3电位下降至0V,是 IGBT栅一 射间承受5V左右的负偏压,IGBT可靠关断,同时VCE的迅速上升使引脚6“悬空”。C2的放电使得B点电位为0V,则V S1仍然不导通,后续电路不动作,IGBT正常关断。

  如有过流发生,IGBT的V CE过大使得VD2截止,使得VS1击穿,V3导通,C4通过R7放电,D点电位下降,从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低 ,完成慢关断,实现对IGBT的保护。由EXB841实现过流保护的过程可知,EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压,6脚的电压不仅与VCE 有关,还和二极管VD2的导通电压Vd有关。

  IGBT驱动电路原理与设计技巧详解

  典型接线方法如图2,使用时注意如下几点:

  a、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长(一般应该小于1m),并且应该采用双绞线接法,防止干扰。

  b、由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲,增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。但是栅极电阻RG不能太大也不能太小,如果 RG增大,则开通关断时间延长,使得开通能耗增加;相反,如果RG太小,则使得di/dt增加,容易产生误导通。

  c、图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化,并不是电源的供电滤波电容,一般取值为47 F。

  d、6脚过电流保护取样信号连接端,通过快恢复二极管接IGBT集电极。

  e、14、15接驱动信号,一般14脚接脉冲形成部分的地,15脚接输入信号的正端,15端的输入电流一般应该小于20mA,故在15脚前加限流电阻。

  f、为了保证可靠的关断与导通,在栅射极加稳压二极管。

  b、端口VL/Reset

  这个端子是用来定义具有施密特性质的输入InA和InB的,使得输入在2/3VL时开通,在I/3 VL时作为关断信号。当PWM信号是TTL电平时, 该端子连接如图3-5所示,当输入InA和InB信号为15V的时候,该端子应该通过一个大约1K左右的电阻连接到++15V电源上,这样开启和关断电压 分别应该是lov和5V。另外,输入UL/Reset端还有另外的功能:如果其接地,则逻辑驱动接口单元l.DI001内的错误信息被清除。

  c、门极输出端

  门极输出Gx端子接电力半导体的门极,当SCALE驱动器用15V供电的时候,门极输出土15V.负的门极电压由驱动器内部产生。使用如图3-6 结构的电路可以实现开通和关断的速度的不一样,增加了用户使用的灵活性。

  d、布局和布线

  驱动器应该尽可能近的和功率半导体放在一起,这样从驱动器到电力晶体管的引线就会尽可能的短,一般来说驱动器的连线尽量不要长 过10厘米。同时一般要求到集电极和发射极的引线采用绞合线,还有可以在IGBT的门极和发射极之间连接一对齐纳稳压二极管(15~18V) 来保护IGBT不会被击穿。

  IGBT驱动电路原理与设计技巧详解

  驱动模块的模式选择端MOD外接+15V电源,输入引脚RC1和RC2接地,为直接工作模式。逻辑控制电平采用+15V,信号输入管脚InA、 InB连 接在一起接收来自单片机的脉冲信号,进行同步控制。2SD315A的SO1和SO2两只管脚外接三极管和光耦用来向单片机输出两输出通道的 工作状态,其输出端结构皆为集电极开路输出,可以通过外接上拉电阻以适用于各种电平逻辑。 在管脚SO1、SO2和电源之间以及VisoX 和LSX之间加发光二极管进行故障指示。正常情况下SO1和SO2输出皆为高电平,上电后D3和D4先亮,延时几秒后熄灭,同时D8和D15发亮。

  当检测到故障信号时,SO1和SO2的输出电平被拉低到地,即D3和D4发亮,同时D8和D15闪烁。2SD315A是通过监测UCE(sat)来 判断回路是否 短路和过流,当检测到一路或两路发生过流现象时,检测电路会把异常状态回馈到驱动模块,驱动模块内部会产生一个故障信号并将它 锁存,锁存时间为1s,在这段时间内,驱动模块不再输出信号,而是将两组IGBT及时关断予以保护。同时,状态输出管脚SO1和SO2的高电平 被拉低,光耦TLP521导通,两路状态信号通过或门74LS32送给单片机。为防止因关断速度太快在IGBT的集电极上产生很高的反电动势,在门极输出 端采用如图所示的电路结构实现开通和关断速度的不同。开通时门极电阻为3.4Ω,关断时电阻为6.8Ω,二极管采用快恢 复型,这样就使关断速度下降到安全水平。

   IGBT短路失效机理

   IGBT负载短路下的几种后果

  (1) 超过热极限:半导体的本征温度极限为250℃,当结温超过本征温度,器件将丧失阻断能力,IGBT负载短路时,由于短路电流时结温升 高,一旦超过其热极限时,门级保护也相应失效。

  (2) 电流擎住效应:正常工作电流下,IGBT由于薄层电阻Rs很小,没有电流擎住现象,但在短路状态下,由于短路电流很大,当Rs上的压降 高于0.7V时,使J1正偏,产生电流擎住,门级便失去电压控制。

  (3) 关断过电压:为了抑制短路电流,当故障发生时,控制电路立即撤去正门级电压,将IGBT关断,短路电流相应下降。由于短路电流大, 因此,关断中电流下降率很高,在布线电感中将感生很高的电压,尤其是在器件内封装引线电感上的这种感应电压很难抑制,它将使器件有过电流变为关断过电压而 失效。

  IGBT过流保护方法

  (1) 减压法:是指在故障出现时,降低门级电压。由于短路电流比例于外加正门级电压Ug1,因此在故障时,可将正门级电压降低。

  (2) 切断脉冲方法:由于在过流时,Uce电压升高,我们利用检测集电极电压的方法来判断是否过流,如果过流,就切断触发脉冲。同时尽 量采用软关断方式,缓解短路电流的下降率,避免产生过电压造成对IGBT的损坏。


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