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IGBT电力电子装置的应用详解

作者:时间:2011-09-16来源:网络收藏

在以变频器及各类电源为代表的中得到了广泛集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体,具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/178636.htm

  为解决的可靠驱动问题,国外各IGBT生产厂家或从事IGBT的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块,惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能,且价格相对便宜,因此,本文将对其进行研究。

  1 IGBT的工作特性

  IGBT是一种电压型控制器件,它所需要的驱动电流与驱动功率非常小,可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的,当UGE大于开启电压UGE(th)时IGBT导通,当栅极和发射极间施加反向或不加信号时,IGBT被关断。

  IGBT与普通晶体三极管一样,可工作在线性放大区、饱和区和截止区,其主要作为开关器件。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态,使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

  2 IGBT驱动电路要求

  在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。

  1)栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响,必须正确选择。当正向驱动电压增大时,.IGBT的导通电阻下降,使开通损耗减小;但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大,可能使IGBT出现擎住效应,导致门控失效,从而造成IGBT的损坏;若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域,使IGBT过热损坏;使用中选12V≤UGE≤18V为好。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,一般负偏置电压选一5V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在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。但在大电感负载下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,可以在栅射间并接一个电阻。此外,在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管,其稳压值应与正负栅压相同。

  3 HCPL-316J驱动电路

  3.1 HCPL-316J内部结构及工作原理

  若IGBT出现过流信号(脚14检测到IGBT集电极上电压=7V),而输入驱动信号继续加在脚1,欠压信号为低电平,B点输出低电平,三级达林顿管被关断,1×DMOS导通,IGBT栅射集之间的电压慢慢放掉,实现慢降栅压。当VOUT=2V时,即VOUT输出低电平,C点变为低电平,B点为高电平,50×DMOS导通,IGBT栅射集迅速放电。故障线上信号通过光耦,再经过RS触发器,Q输出高电平,使输入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。

  3.2驱动电路设计

  HCPL-316J左边的VIN+,FAULT和RESET分别与微机相连。R7,R8,R9,D5,D6和C12 起输入保护作用,防止过高的输入电压损坏IGBT,但是保护电路会产生约1μs延时,在开关频率超过100kHz时不适合使用。Q3最主要起互锁作用,当两路PWM信号(同一桥臂)都为高电平时,Q3导通,把输入电平拉低,使输出端也为低电平。图3中的互锁信号Interlock,和Interlock2分别与另外一个316J Interlock2和Interlock1相连。R1和C2起到了对故障信号的放大和滤波,当有干扰信号后,能让微机正确接受信息。

  在输出端,R5和C7关系到IGBT开通的快慢和开关损耗,增加C7可以明显地减小dic/dt。首先计算栅极电阻:其中ION为开通时注入IGBT的栅极电流。为使IGBT迅速开通,设计,IONMAX值为20A。输出低电平VOL=2v。C3是一个非常重要的参数,最主要起充电延时作用。当系统启动,芯片开始工作时,由于IGBT的集电极C端电压还远远大于7V,若没有C3,则会错误地发出短路故障信号,使输出直接关断。当芯片正常工作以后,假使集电极电压瞬间升高,之后立刻恢复正常,若没有C3,则也会发出错误的故障信号,使IGBT误关断。但是,C3的取值过大会使系统反应变慢,而且在饱和情况下,也可能使IGBT在延时时间内就被烧坏,起不到正确的保护作用, C3取值100pF,其延时时间在集电极检测电路用两个二极管串连,能够提高总体的反向耐压,从而能够提高驱动电压等级,但二极管的反向恢复时间要很小,且每个反向耐压等级要为1000V,一般选取BYV261E,反向恢复时间75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出现过流信号后具有的软关断特性,其原理是C5通过内部MOSFET的放电来实现软关断。图3中输出电压VOUT经过两个快速三极管推挽输出,使驱动电流最大能达到20A,能够快速驱动1700v、200-300A的IGBT。


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