IGBT高壓大功率驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案
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為解決IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問題，國外各IGBT生產(chǎn)廠家或從事IGBT應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路或模塊，如國內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的EXB8系列，三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的M579系列，美國IR公司生產(chǎn)的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價(jià)格相對(duì)便宜，因此，本文將對(duì)其進(jìn)行研究，并給出1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。
1 IGBT的工作特性
IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來控制的，當(dāng)UGE大于開啟電壓UGE（th）時(shí)IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí)，IGBT被關(guān)斷。
IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。
2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路要求
在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。
1）柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，．IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減??；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。
2）IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。
3）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時(shí)間延時(shí)，CG太小對(duì)抑制dic／dt效果不明顯。
4）當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。
3 HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路
3.1 HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。
各引腳功能如下：
腳1（VIN+）正向信號(hào)輸入；
腳2（VIN-）反向信號(hào)輸入；
腳3（VCG1）接輸入電源；
腳4（GND）輸入端的地；
腳5（RESERT）芯片復(fù)位輸入端；
腳6（FAULT） 故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障（輸出正向電壓欠壓或IGBT短路）時(shí)，通過光耦輸出故障信號(hào)；
腳7（VLED1+）光耦測試引腳，懸掛；
腳8（VLED1-）接地；
腳9，腳10（VEE）給IGBT提供反向偏置電壓；
腳11（VOUT）輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT；
腳12（VC）三級(jí)達(dá)林頓管集電極電源；
腳13（VCC2）驅(qū)動(dòng)電壓源；
腳14（DESAT） IGBT短路電流檢測；
腳15（VLED2+）光耦測試引腳，懸掛；
腳16（VE）輸出基準(zhǔn)地。
其工作原理如圖1所示。若VIN+正常輸入，腳14沒有過流信號(hào)，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓正常，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出高電平，故障信號(hào)和欠壓信號(hào)輸出低電平。首先3路信號(hào)共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動(dòng)三級(jí)達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。
若IGBT出現(xiàn)過流信號(hào)（腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V），而輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼續(xù)加在腳1，欠壓信號(hào)為低電平，B點(diǎn)輸出低電平，三級(jí)達(dá)林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時(shí)，即VOUT輸出低電平，C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，B點(diǎn)為高電平，50×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號(hào)通過光耦，再經(jīng)過RS觸發(fā)器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況。
評(píng)論