IGBT驱动器

    1 确定IGBT门极容量

    在设计和选购IGBT 驱动器之前,必须首先知道IGBT 的门极负荷Q,这是一个十分重要的参数,但在IGBT 的技术参数中生产厂家一般并不直接给出,而需要我们借助其它参数得到。IGBT 具有MOSFET 的输入级,在IGBT的技术资料中往往有一个参数Ciss,一般我们把它叫作输入电容,该电容的测试往往是在UGS=0,UOS=25V,f=1MHz 的情况下进行,由于密勒效应, 该值往往比在UGS= O V 时要小,根据实践经验,IGBT 的输入电容一般满足下面的公式

    Cin≈5Ciss

    一般Simens 和 Eupec 公司的IGBT 满足上述公式。

    知道了IGBT 的输入电容Cin,门极的负荷可以由下面公式得到

    Q=∫oidt= Cin △ U。

    △ U 代表门极的驱动电压, 大多数的IGBT 开通电压+15V,关断电压-5V,因而△U= 2 0 V , 如应用十分广泛的E X B 8 4 1 系列。高电压、大电流IGBT 往往开通关断均为15V,因而△ U= 3 0 V 。

    2 开关频率确定

    开关频率的大小不仅影响系统的控制精度,而且影响系统的整体性能,如运行效率,噪声指标。开关频率是所有电力电子变换器的一个重要参数。

    根据IGBT 的门极容量,储存在IGBT 输入电容中的能量可以计算得到

    每个脉冲周期栅极充放电各一次,因而驱动一只IGBT 的功率为:

    f 为开关频率。驱动器的平均输出电流Iout可以这样得到:

    P=Iout * △U 比较上面两式Q=Iout / f 驱动器的平均电流在数据文档可以找到,则IGBT的最大允许开关频率可以得到: 。

    3 门极驱动电阻Rg的选取

    IGBT 的开关时间是由驱动器对IGBT 的输入电容的充放电来控制, 增加门极输出电流,IGBT 开通时间和关断时间会相应缩短,开关损耗也会降低, Rg主要是用来限制门极输出的降值电流, Rg可由下式确定: Rg = △U / Ipeak

    Ipeak一般可以在驱动器数据文档中找到。有些情况下,充放电峰值电流不同,门极电阻可以分别选取。

    4 IGBT驱动器的比较选择

    4.1 光电耦合和变压器耦合式比较

    光电耦合隔离式采用直流电源,输出脉冲宽度可调。通过检测集电极电压实现过电流保护。具有使用方便稳定性好的优点。缺点是双侧均采用电源,电路复杂。比如EXB841驱动器,光电耦合器输入与输出之间耐压一般较低为交流2500V,但实际使用中设备承受力不符合其条件,给使用带来限制。另外,一旦IGBT 烧坏,驱动器受到损坏给维修带来不便且不经济。

    变压器耦合隔离式不用专设的电源,线路简单, 输入输出间耐压高, 成本低、响应快.缺点是IGBT 关断期间得不到持续的反向门极电压,抗干扰能力差,且输出脉冲宽度不可调,不能实现过电流保护,并且由于漏感的存在使绕组的绕制工艺复杂容易出现振荡。

    4.2 IGBT 驱动器选择

    目前市场上可见的驱动器:光电耦合隔离驱动器有日本富士EXB841,国内落木源电子KA101,日本英达HR065等。变压器隔离式驱动器有美国Unitrode公司UC3724-3725系列,还有专用的用来驱动一个桥臂上2个IGBT的美国IR公司的IR2110及国内落木源电子的KD303，还有德国西门子公司的SKH121等。可供选用的范围很广,应用方便。但使用时应注意过电流问题, 比如EXB841 系列驱动器,采用ERA34-10 型快速二极管, 导通电压为3V , 反向耐压采用与IGBT 相同的等级.可以实现自身过电流保护,但若IGBT 过电流对其寿命是有影响的。解决办法是: ①反串稳压管, 限制IGBT 的电流为200A,使工作稳定可靠且电路简单;②采用电流传感器进行直接限流.上述几种驱动器由窄脉冲过电流无法限制,应采用别的措施,在此不一一论述。

    一个理想的 IGBT 驱动器应具有以下基本性能:

    (1)动态驱动能力强 ,能为 IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当 IGBT 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 IGBT 通态损耗 ,造成管芯温升较高。

    这种情况会大大限制 IGBT 的开关频率和输出能力 ,同时对 IGBT的安全工作构成很大威胁。

    IGBT的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT 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 IGBT 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 IGBT提供适当的正向栅压 。

    IGBT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 越高 , u 就越低 ,GS DS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 并非越高越好 一般, uGS ,不允许超过 原因是一旦发生过流或短路20V , ,栅压越高 则电流幅值越高 损坏的可能, ,IGBT性就越大。通常 ,综合考虑取 +15V 为宜。

    (3) 能向 IGBT 提供足够的反向栅压。在IGBT关断期间 ,由于电路中其它部分的工作 ,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 IGBT 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IGBT加一反向栅压(幅值一般为 5～15V) ,使IGBT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 与工频电网有直接电联系 而,IGBT ,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 的工作电位差别很大IGBT ,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) 具有栅压限幅电路 ,保护栅极不被击穿。IGBT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。

    (8) IGBT损坏时 ,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。IGBT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 IGBT 承受过流或短路的能力有限 ,故 IGBT驱动器还应具有如下功能:

    (9)当 IGBT处于负载短路或过流状态时 ,能在 IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流 ,实现 IGBT 的软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过高的 di/ dt。

    在杂散电感的作用下 ,过高的 di/ dt 会产生过高的电压尖峰 ,使 IGBT 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IGBT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。

    目前 ,供 IGBT 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,IGBT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) 。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 ,GBT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 IGBT 即得到一个 - 5V 的栅源电压并截止。IGBT在导通期间过流时 ,会脱离饱和状态 ,此时 , uDS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 10μs 内逐步降低栅压 ,使 IGBT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。　　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 IGBT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 ,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 1μs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 电压 从而给电路的设计增加了困4000V ,难。另外 一旦 烧坏 驱动器通常也随之, IGBT ,烧毁 从而增加了维修的复杂性及费用。