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IGBT应用电子电路设计图集锦 —电路图天天读(189)

作者:时间:2017-10-28来源:网络收藏

  绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。本文介绍了绝缘栅双极晶体管()在不间断电源系统中的应用情况,分析了 在UPS 中损坏的主要原因和实际应用中应注意的问题。在UPS 中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率MOSFET、可控硅和IGBT,IGBT 既有功率MOSFET 易于驱动,控制简单、开关频率高的优点,又有功率晶体管的导通电压低,通态电流大的优点、使用IGBT成为UPS 功率设计的首选,只有对IGBT的特性充分了解和对电路进行可靠性设计,才能发挥IGBT 的优点。本文介绍UPS 中的IGBT 的应用情况和使用中的注意事项。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/369083.htm

  IGBT电路原理图

  

  IR2110驱动IGBT电路如图所示。电路采用自举驱动方式,VD1为自举二极管,C1为自举电容。接通电源,VT2导通时Cy通过VDt进行充电。这种电路适用于驱动较小容量的IGBT.对于IR2110,当供电电压较低时具有使驱动器截止的保护功能。自举驱动方式支配着VT2的导通电压,因此电压较低的保护功能是其必要条件。若驱动电压较低时驱动IGBT,则IGBT就会发生热损坏。VD1选用高速而耐压大于600V的ERA38-06、ERB38-06等二极管。

  绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOSFET 与双极晶体管复合的器件。它既有功率MOSFET 易于驱动,控制简单、开关频率高的优点,又有功率晶体管的导通电压低,通态电流大,损耗小的显著优点。据东芝公司资料,1200V/100A 的IGBT 的导通电阻是同一耐压规格的功率 MOSFET 的1/10,而开关时间是同规格GTR的1/10。由于这些优点,IGBT广泛应用于不间断电源系统(UPS)的设计中。这种使用 IGBT 的在线式UPS 具有效率高,抗冲击能力强、可靠性高的显著优点。 UPS 主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构。在线式UPS 以其可靠性高,输出电压稳定,无中断时间等显著优点,广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。本文以在线式为介绍对象,介绍UPS 中的IGBT的应用。

  

  图1 在线式不间断电源主电路图

  图1 为在线式UPS 的主电路,在线式UPS 电源具有独立的旁路开关、AC/DC 整流器、充电器、DC/AC 等系统,工作原理是:市电正常时AC/DC 整流器将交电整流成直流电,同时对蓄电池进行充电,再经DC/AC 将直流电逆变为标准正弦波交流电,市电异常时,电池对供电,在UPS 发生故障时将输出转为旁路供电。在线式UPS输出的电压和频率最为稳定,能为用户提供真正高质量的正弦波电源。

  

  图3:应用IGBT 的旁路开关

  整流器AC/DC

  UPS 整流电路分为普通桥堆整流、SCR 相控整流和PFC 高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为50HZ,滤波器的体积重量较重,随着UPS 技术的发展和各国对电源输入功率因数要求,采用PFC 功率因数校正的UPS 日益普及,PFC 电路工作的基频至少20KHZ,使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少,不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到0.99,PFC 电路中常用IGBT 作为功率器件,应用 IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。UPS 的充电器常用的有反激式、BOOST 升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管IGBT,用于功率控制,可以取得很高的效率和较大的充电电流。3KVA 以上功率的在线式UPS 几乎全部采用IGBT 作为逆变部分的功率器件,常用全桥式电路和半桥电路,如下图4。

  过电流损坏

  为了避免IGBT 发生擎住效应而损坏,电路设计中应保证IGBT 的最大工作电流应不超过IGBT 的IDM 值,同时注意可适当加大驱动电阻 RG 的办法延长关断时间,减小IGBT 的di/dt。驱动电压的大小也会影响IGBT 的擎住效应,驱动电压低,承受过电流时间长,IGBT 必须加负偏压,IGBT 生产厂家一般推荐加-5V 左右的反偏电压。在有负偏压情况下,驱动正电压在10—15V 之间,漏极电流可在5~10μs 内超过额定电流的4~10 倍,所以驱动IGBT 必须设计负偏压。由于UPS 负载冲击特性各不相同,且供电的设备可能发生电源故障短路,所以在UPS 设计中采取限流措施进行IGBT的电流限制也是必须的,可考虑采用IGBT 厂家提供的驱动厚膜电路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840,三菱公司的M57959AL,57962CL,它们对IGBT 的集电极电压进行检测,如果IGBT 发生过电流,内部电路进行关闭驱动。这种办法有时还是不能保护IGBT,根据IR 公司的资料,IR 公司推荐的短路保护方法是:首先检测通态压降Vce,如果Vce 超过设定值,保护电路马上将驱动电压降为 8V,于是IGBT 由饱和状态转入放大区,通态电阻增大,短路电路减削,经过4us 连续检测通态压降Vce,如果正常,将驱动电压恢复正常,如果未恢复,将驱动关闭,使集电极电流减为零,这样实现短路电流软关断,可以避免快速关断造成的过大di/dt 损坏IGBT,另外根据最新三菱公司IGBT 资料,三菱推出的F 系列IGBT 的均内含过流限流电路(RTC circuit),如图6,当发生过电流,10us 内将IGBT 的启动电压减为 9V,配合M57160AL 驱动厚膜电路可以快速软关断保护IGBT。

  

  图5:IGBT 等效电路图

  

  图6 三菱F 系列IGBT 的RCT 电路

  过电压损坏

  防止过电压损坏方法有:优化主电路的工艺结构,通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感;适当增加IGBT 驱动电阻Rg 使开关速度减慢(但开关损耗也增加了);设计缓冲电路,对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复的二极管,电容必须是高频、损耗小,频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。常见电路有耗能式和回馈式缓冲电路。回馈式又有无源式和有源式两种,详细电路设计可参见所选用器件的技术手册。在UPS 中,逆变桥同臂支路两个驱动必须是互锁的,而且应该设置死区时间(即共同不导通时间)。如果发生共导,IGBT 会迅速损坏。在控制电路应该考虑到各种运行状况下的驱动问题控制时序问题。可通过降额使用,加大散热器,涂敷导热胶,强制风扇制冷,设置过温度保护等

  IGBT欠压锁定保护(UVLO)功能

  在刚刚上电的过程中,芯片供电电压由0V逐渐上升到最大值。如果此时芯片有输出会造成IGBT门极电压过低,那么它会工作在线性放大区。 HCPL316J芯片的欠压锁定保护的功能(UVLO)可以解决此问题。当VCC与VE之间的电压值小于12V时,输出低电平,以防止IGBT工作在线性工作区造成发热过多进而烧毁。示意图详见图1中含UVLO部分。

  

  图1 HCPL-316J内部原理图

  IGBT过流保护功能

  HCPL-316J具有对IGBT的过流保护功能,它通过检测IGBT的导通压降来实施保护动作。同样从图上可以看出,在其内部有固定的7V电平,在检测电路工作时,它将检测到的IGBT C~E极两端的压降与内置的7V电平比较,当超过7V时,HCPL-316J芯片输出低电平关断IGBT,同时,一个错误检测信号通过片内光耦反馈给输入侧,以便于采取相应的解决措施。在IGBT关断时,其C~E极两端的电压必定是超过7V的,但此时,过流检测电路失效,HCPL-316J芯片不会报故障信号。实际上,由于二极管的管压降,在IGBT的C~E 极间电压不到7V时芯片就采取保护动作。

  方案设计

  的主要逻辑部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的导通、关断并且保护IGBT。它的输出功能可以简略的用下面的逻辑功能表来描述。(详见表1)

  表1 HCPL-316J逻辑功能表

  

  表格中最后一列为输出。当输出为High时IGBT导通,否则IGBT关断。IGBT导通需要同时具备最后一行的五个条件,缺一不可,即同相输入为高;反相输入为低;欠压保护功能无效;未检测到IGBT故障,无故障反馈信号或故障反馈信号已被清除。

  根据上述输出控制功能,设计电路如图2。

  

  图2 IGBT

  整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J,其中由控制器(DSP-TMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL-316J,同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号 FAULT*给控制器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输出电路,目的是为了提高输出电流能力,匹配IGBT驱动要求。

  当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电平时,推挽电路上管(T1)导通,下管(T2)截止, 三端稳压块LM7915输出端加在IGBT门极(VG1)上,IGBT VCE为15V,IGBT导通。当HCPL-316J输出端VOUT输出为低电平时,上管(T1)截止,下管(T1)导通,VCE为-9V,IGBT关断。以上就是IGBT的开通关断过程。

  IGBT驱动电路分析

  

  如图是一个单项变频器IGBT驱动电路的一部分电路,输出只要有Q2那部分,如果A314J的VO端子输出电压不足是不是可以判定是A314J本身或者之前电路的问题,而不是之后电路的问题。

  编辑点评:IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的优点,是UPS 中的充电、旁路开关、逆变器,整流器等功率变换的理想器件。只有合理运用IGBT,并采取有效的保护方案,才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。



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