栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,壹般负偏置电压选-5V为宜。
另外,IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值,使IGBT于正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。
2)IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。
但于大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大,因为高速开通和关断时,会产生很高的尖峰电压,极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。
3)选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。
RG较小,栅射极之间的充放电时间常数比较小,会使开通瞬间电流较大,从而损坏IGBT;RG较大,有利于抑制dVCE/dt但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。
合适的CG有利于抑制dic/dt,CG太大,开通时间延时,CG太小对抑制dic/dt效果不明显。
4)当IGBT关断时,栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰,使栅射电压引起器件误导通,为防止这种现象发生,能够于栅射间且接壹个电阻。
此外,于实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好于栅射间且接俩只反向串联的稳压二极管,其稳压值应和正负栅压相同。
3.2几种常用IGBT的驱动电路
(1)阻尼滤波门极驱动电路:
为了消除可能的振荡现象,IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。
图3-1阻尼滤波电路
(2)光耦合器门极驱动电路:
驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻,同时加速IGBT的关断过程。
图3-2光耦合器电路
(3)脉冲变压器直接驱动IGBT的电路:
由于是电磁隔离方式,驱动级不需要专门直流电源,简化了电源结构。
图3-3脉冲变压器驱动电路
4、IGBT驱动保护
4.1驱动保护电路的原则
由于IGBT是电压控制型器件,因此只要控制ICBT的栅极电压就能够使其开通或关断,且且开通时维持比较低的通态压降.研究表明,IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化.因此,为了保证IGBT可靠工作,驱动保护电路至关重要。
IGBT驱动保护电路的原则如下:
(1)动态驱动能力强,能为栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲;
(2)开通时能提供合适的正向栅极电压12V—15V,关断时能够提供足够的反向关断栅极电压(-5V);
(3)尽可能少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特性,使信号电路和栅极驱动电路绝缘;
(5)出现短路、过流的情况下,具有灵敏的保护能力。
目前,普遍使用驱动和保护功能合为壹体的IGBT专用的驱动模块。
4.2IGBT栅极的保护
IGBT的栅极-发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果于它的栅极和发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,于IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。
另外,若IGBT的栅极和发射极间开路,而于其集电极和发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极和集电极和发射极之间寄生电容的存于,使得栅极电位升高,集电极-发射极有电流流过。
这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。
如果设备于运输或振动过程中使得栅极回路断开,于不被察觉的情况下给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏。
为防止此类情况发生,应于IGBT的栅极和发射极间且接壹只几十kΩ的电阻,此电阻应尽量靠近栅极和发射极。
如图4-2所示。
图4-1栅极保护电路
4.3IGBT的过电流保护
IGBT因其饱和压降低和工作频率高等优点而成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件,但IGBT和晶闸管壹样,其抗过载能力不高。
因此,设计IGBT的驱动过流保护电路,使之具有完善的驱动过流保护功能,是必须考虑的问题。
4.3.1驱动过流保护电路的驱动过流保护原则
IGBT的技术资料表明,IGBT于10μS内最大可承受2倍的额定电流,可是经常承受过电流会使器件过早老化,故IGBT的驱动过流保护电路的设计原则为:
壹、当过电流值小于2倍额定电流值时,可采用瞬时封锁栅极电压的方法来实现保护;
2、当过电流值大于2倍额定电流值时,由于瞬时封锁栅极电压会使di/dt很大,会于主回路中感应出较高的尖峰电压,故应采用软关断方法使栅极电压于2μS~5μS的时间内降至零电压,至最终为-5伏的反电压;
3、采用适当的栅极驱动电压.基于上述思想,驱动过流保护电路现分为分离元件驱动过流保护电路和模块驱动过流保护电路。
4.3.2IGBT过流保护电路设计
IGBT的过流保护电路可分为2类:
壹类是低倍数的(1.2~1.5倍)的过载保护;壹类是高倍数(可达8~10倍)的短路保护。
对于过载保护不必快速响应,可采用集中式保护,即检测输入端或直流环节的总
电流,当此电流超过设定值后比较器翻转,封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲,使输出电流降为零。
这种过载电流保护,壹旦动作后,要通过复位才能恢复正常工作。
IGBT能承受很短时间的短路电流,能承受短路电流的时间和该IGBT的导通饱和压降有关,随着饱和导通压降的增加而延长。
如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs,而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs,4~5V时可达30μs之上。
存于之上关系是由于随着饱和导通压降的降低,IGBT的阻抗也降低,短路电流同时增大,短路时的功耗随着电流的平方加大,造成承受短路的时间迅速减小。
通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。
软关断指于过流和短路时,直接关断IGBT。
可是,软关断抗骚扰能力差,壹旦检测到过流信号就关断,很容易发生误动作。
为增加保护电路的抗骚扰能力,可于故障信号和启动保护电路之间加壹延时,不过故障电流会于这个延时内急剧上升,大大增加了功率损耗,同时仍会导致器件的di/dt增大。
所以往往是保护电路启动了,器件仍然坏了。
降栅压旨于检测到器件过流时,马上降低栅压,但器件仍维持导通。
降栅压后设有固定延时,故障电流于这壹延时期内被限制于壹较小值,则降低了故障时器件的功耗,延长了器件抗短路的时间,而且能够降低器件关断时的di/dt,对器件保护十分有利。
若延时后故障信号依然存于,则关断器件,若故障信号消失,驱动电路可自动恢复正常的工作状态,因而大大增强了抗骚扰能力。
上述降栅压的方法只考虑了栅压和短路电流大小的关系,而于实际过程中,降栅压的速度也是壹个重要因素,它直接决定了故障电流下降的di/dt。
慢降栅压技术就是通过限制降栅压的速度来控制故障电流的下降速率,从而抑制器件的dv/dt和UCE的峰值。
图4-2给出了实现慢降栅压的具体电路。
图4-2实现慢降栅压的电路
正常工作时,因故障检测二极管VD1的导通,将a点的电压钳位于稳压二极管VZ1的击穿电压以下,晶体管VT1始终保持截止状态。
V1通过驱动电阻Rg正常开通和关断。
电容C2为硬开关应用场合提供壹很小的延时,V1使得开通时UCE有壹定的时间从高电压降到通态压降,而不使保护电路动作。
当电路发生过流和短路故障时,V1上的UCE上升,a点电压随之上升,到壹定值时,VZ1击穿,VT1开通,b点电压下降,电容C1通过电阻R1充电,电容电压从零开始上升,当电容电压上升到约1.4V时,晶体管VT2开通,栅极电压Uge随电容电压的上升而下降,通过调节C1的数值,可控制电容的充电速度,进而控制Uge的下降速度;当电容电压上升到稳压二极管VZ2的击穿电压时,VZ2击穿,Uge被钳位于壹固定的数值上,慢降栅压过程结束,同时驱动电路通过光耦输出过流信号。
如果于延时过程中,故障信号消失了,则a点电压降低,VT1恢复截止,C1通过R2放电,d点电压升高,VT2也恢复截止,Uge上升,电路恢复正常工作状态。
4.3.3具有过流保护功能的IGBT驱动电路的研究
根据之上所述IGBT过流保护的要求,设计了壹种具有过流保护功能的隔离式IGBT驱动电路,如图4-4(a)、(b)所示。
该电路具有以下特点:
(1)该电路采用单电源24V(图4-3中(a)Vcc=24V供电,能够产生15V和-5V的驱动电压,保证了IGBT的可靠导通和关断;
(2)该电路采用高速光耦以实现控制电路和主电路的隔离;
(3)该电路具有IGBT过电流慢关断保护功能,能够有效地保护IGBT;
(4)该电路采用推挽式输出方式,从而降低了驱动电路的输出阻抗,提高了驱动能力。
正常工作时Q3、Q4均处于截止状态。
当驱动信号为高电平时高速光耦截止,A点电位为高电平Q5导通,B点电位为高电平Q2导通,Q1截止,IGBT的G-E俩端电压经Q2、R1、D1、D2、D3钳位于+15V,IGBT够快速导通。
由R8、C2组成的延时电路使Q4保持截止状态,经约1.5us的信号传输时间后,虽然C2的端电压按充电规律上升,但由于IGBT已饱和导通,且导通压降很低,通过D9的钳位作用C点电位为低电平,所以于IGBT正常导通时Q3、Q4总处于截止状态。
当驱动信号为低电平时告诉光耦导通,A点点位为低电平,Q5截止;B点电位为低电平Q2截止,Q1导通,IGBT的G-E俩端电压经Q1、R1、D1钳位于-5V,使IGBT快速关断。
此时D9反向关断,阻止主电路高压串入控制回路。
于IGBT关断期间C2上电压通过R6放电,使C点电平更低,所以于IGBT关断期间Q3、Q4总处于截止状态。
(a)
(b)
图4-3IGBT驱动和过流保护电路
当发生过流时IGBT的G-E俩端的电压升高,此时D9反向关断,于是C点电压随C1充电电压的上升而增加,当过流现象持续发生15us左右时,C点电压使稳压管D6导通,Q3随之导通,经Q3、D4、D1将IGBT的G-E俩端电压降至10V左右。
若C点电压于10us之内又恢复到低电平,则为假过流现象,Q3截止,电路恢复到正常工作状态。
若过电流现象发生时间10us之上,即出现真过流故障,则C点电压继续上升,从而使稳压管D5导通Q4立即导通,D点电位为低电平,Q1导通,由于C1的放电作用,所以IGBT慢速关断,同时E点电位经由俩个和非门组成的RS锁存器锁定于高电平,高速光耦壹直处于导通状态。
通过之上分析可知,此时IGBT的G-E俩端电压将被锁定为-5V,IGBT处于可靠的关断状。
过流保护后,只有将故障排除,通过复位开关来重新启动驱动电路。
4.4IGBT开关过程中的过电压保护
关断IGBT时,它的集电极电流下降率较高,极高的下降率将引起集电极过电压,且且由于电路中的杂散电感和负载电感的作用,将于IGBT的c、e俩端产生很高的浪涌尖峰电压uce=Ldic/dt,加之IGBT的耐过压能力较差,这样就会使IGBT击穿,因此,其过压保护也是十分重要的。
降低IGBT集-射极间电压UCE的方法通常有俩种:
壹种是增大栅极电阻RG,但RG的增大将减缓IGBT的开关速度,从而增加开关损耗,此方法不太理想;仍有壹种就是采用缓冲吸收电路。
所以过压保护能够从以下几个方面进行:
(1)尽可能减少电路中的杂散电感。
作为模块设计制造者来说,要优化模块内部结构(如采用分层电路、缩小有效回路面积等),减少寄生电感;作为使用者来说,要优化主电路结构(采用分层布线、尽量缩短联接线等),减少杂散电感。
另外,于整个线路上多加壹些低阻低感的退耦电容,进壹步减少线路电感。
所有这些,对于直接减少IGBT的关断过电压均有较好的效果。
(2)采用吸收回路。
吸收回路的作用是;当IGBT关断时,吸收电感中释放的能量,以降低关断过电压。
常用的吸收回路如图4-3所示。
对于电路中元件的选用,于实际工作中,电容C选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容,也可选用陶瓷电容,容量为2F左右。
电容量选得大壹些,对浪涌尖峰电压的抑制好壹些,但过大会受到放电时间的限制。
电阻R选用氧化膜无感电阻,其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求,可按R≤T/6C计算,T为主电路的开关周期。
二极管V应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。
为了使IGBT关断过电压能得到有效的抑制且减小关断损耗,通常均需要给IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路。
IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型。
充放电型有RC吸收和RCD吸收2种。
如图4-3(a)、4-3(b)所示。
(a)RC型(b)RCD型
图4-5充放电型IGBT缓冲吸收电路
RC吸收电路因电容C的充电电流于电阻R上产生压降,仍会造成过冲电压。
RCD电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流,从而克服了过冲电压。
图4-4是三种放电阻止型吸收电路。
放电阻止型缓冲电路中吸收电容CS的放电电压为电源电压,每次关断前,CS仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源,减小了吸收电路的功耗。
因电容电压于IGBT关断时从电源电压开始上升,它的过电压吸收能力不如RCD型充放电型。
(a)LC型(b)RLCD型(c)RLCD型
图4-6三种放电阻止型吸收电路
4.5IGBT的过热保护
IGBT的损耗功率主要包括开关损耗和导通损耗,前者随开关频率的增高而增大,占整个损耗的主要部分;后者是IGBT控制的平均电流和电源电压的乘积。
由于IGBT是大功率半导体器件,损耗功率使其发热较多(尤其是Rg选择偏大时),加之IGBT的结温不能超过125℃,不宜长期工作于较高温度下,因此要采取恰当的散热措施进行过热保护。
散热壹般是采用散热器(包括普通散热器和热管散热器),且可进行强迫风冷。
散热器的结构设计应满足:
式中:
Tj-IGBT的工作结温;-损耗功率;-结-壳热阻;
-壳-散热器热阻;-散热器-环境热阻;-IGBT的最高结温。
于实际工作中,我们采用普通散热器和强迫风冷相结合的措施,且于散热器上安装温度开关。
当温度达到75℃~80℃时,通过关闭信号停止对PMW发送控制信号,从而使驱动器封锁IGBT的开关输出,且予以关断保护。
4.6IGBT驱动保护设计总结
之上篇幅对IGBT的驱动保护做了详细的分析,得出了设计时应注意的几点事项:
⑴IGBT由于集电极-栅极的寄生电容的密勒效应的影响,能引起意外的电压尖峰损害,所以设计时应让栅极的阻抗足够低,以尽量消除其负面影响;
⑵栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开通过程及驱动脉冲的波形均有很大的影响,所以设计时要综合考虑;
⑶应采用慢降栅压技术来控制故障电流的下降速率,从而抑制器件的du/dt和Uge的峰值,达到短路保护的目的;
⑷于工作电流较大的情况下,为了减小关断过电压,应尽量减小主电路的布线电感,吸收电容应采用低感或无感型;
⑸IGBT和MOSFET均是电压驱动,均具有壹个2.5~5V的阈值电压,有壹个容性输入阻抗,因此IGBT对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠,要保证有壹条低阻抗值的放电回路,即驱动电路和IGBT的连线要尽量短;
⑹用内阻小的驱动源对栅极电容充放电,以保证栅极控制电压Uge,有足够陡的前后沿,使IGBT的开关损耗尽量小。
另外,IGBT开通后,栅极驱动源应能提供足够的功率,使IGBT不退出饱和而损坏;
⑺驱动电平Uge也必须综合考虑。
Uge增大时,IGBT通态压降和开通损耗均下降,但负载短路时的IC增大,IGB