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大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路知識(shí)
  • 發(fā)布時(shí)間:2020-08-21 16:34:31
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大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路知識(shí)
針對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)問題,提出了分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路.文中給出了分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路,并詳細(xì)分析了兩者的工作原理,指出了它們之間的優(yōu)缺點(diǎn).
關(guān)鍵詞:IGBT;分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路;模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路
IGBT因其飽和壓降低和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)而成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件,但I(xiàn)GBT和晶閘管一樣,其抗過載能力不高[1-2].因此,如何設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路,使之具有完善的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)功能,是設(shè)計(jì)者必須考慮的問題.本文從應(yīng)用角度,歸納、總結(jié)了IGBT的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法.
1驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)原則
IGBT的技術(shù)資料表明,IGBT在10μS內(nèi)最大可承受2倍的額定電流,但是經(jīng)常承受過電流會(huì)使器件過早老化[3],故IGBT的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原則為:一、當(dāng)過電流值小于2倍額定電流值時(shí),可采用瞬時(shí)封鎖柵極電壓的方法來實(shí)現(xiàn)保護(hù);二、當(dāng)過電流值大于2倍額定電流值時(shí),由于瞬時(shí)封鎖柵極電壓會(huì)使di/dt很大,會(huì)在主回路中感應(yīng)出較高的尖峰電壓,故應(yīng)采用軟關(guān)斷方法使柵極電壓在2μS—5μS的時(shí)間內(nèi)降至零電壓[4],至最終為-5伏的反電壓;三、采用適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)電壓.基于上述思想,驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路現(xiàn)分為分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路.
2驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
2.1分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路
以多電源驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路為例,分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路[5]如圖1.圖1中,T1、T4和T5構(gòu)成IGBT的驅(qū)動(dòng)電路,DZ1、T3、D2、C4構(gòu)成延時(shí)降壓電路.T6、555集成電路和光耦LP2構(gòu)成延時(shí)電路.在正常開通時(shí),T1和T4導(dǎo)通,由于D1和R6的作用,B點(diǎn)電路不會(huì)超過DZ1擊穿電壓,此時(shí)T3截止,D點(diǎn)電位不會(huì)下降,延時(shí)電路不延時(shí),T2截止.當(dāng)IGBT流過短路電流時(shí),IGBT的集射極壓降上升,此時(shí)C點(diǎn)電位上升,上升時(shí)間t1由式(1)求得[6].
大功率IGBT
式(1)中,VCC是電源電壓,單位為伏特;V1是DZ1擊穿電壓,單位為伏特;τ2=R2×C2,為時(shí)間常數(shù),單位為秒;VC2為電容C2的初始電壓,單位為伏特.
當(dāng)C點(diǎn)電位上升到DZ1的擊穿電壓時(shí),T3導(dǎo)通,C4放電,D點(diǎn)電位下降,即F點(diǎn)和G點(diǎn)電位下降,IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓下降.同時(shí),光耦LP2導(dǎo)通,延時(shí)電路開始計(jì)時(shí),此計(jì)時(shí)時(shí)間t2由式(2)求得[6].
大功率IGBT
式(2)中,VCC是電源電壓,單位為伏特;V2是555翻轉(zhuǎn)電平,單位為伏特;τ2=(R14+R15)×C5,為時(shí)間常數(shù),單位為秒;VC5為電容C5的初始電壓,單位為伏特.
如果過流故障在555計(jì)時(shí)時(shí)間t2內(nèi)消除,則C點(diǎn)電位下降恢復(fù)到原來值,DZ1、T3立即截止,同時(shí)C4開始充電,F(xiàn)點(diǎn)和G點(diǎn)電位上升,IGBT的柵極電壓恢復(fù)到原來的正常值,IGBT繼續(xù)正常工作;如果在555計(jì)時(shí)時(shí)間t2內(nèi)過流故障還沒有消除,則555輸出高電平,經(jīng)T7、CD4043和CD4081驅(qū)動(dòng)光耦LP1,使A點(diǎn)電位下降并保持,T1截止,T5導(dǎo)通,IGBT的柵射極電壓最終為-5伏,導(dǎo)致IGBT截止,從而實(shí)現(xiàn)延時(shí)緩降壓過流保護(hù).其從發(fā)生過流故障到徹底關(guān)斷IGBT所需的總時(shí)間t為
t=t1+t2     (3)
式(3)中,t、t1和t2的單位都是秒.
此外,單電源驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的原理與上述多電源驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路類似,可參閱文獻(xiàn)[7].
還應(yīng)注意[8]:(1)選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電壓值;正電壓值一般在12V—15V為宜,12V最佳,反向電壓一般在5V—10V;
(2)選擇合適的柵極串聯(lián)電阻值,一般選幾歐姆到十幾歐姆;
(3)選擇合適的柵射極并聯(lián)電阻值或穩(wěn)壓二極管.
從上述分析可知,分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路復(fù)雜,但設(shè)計(jì)靈活.
大功率IGBT
2.2模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路
以EXB841系列為例,模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路[9-10]如圖2.圖2中,9腳為參考地,2腳電位為20V,1腳電位為5V,當(dāng)14腳、15腳之間加上高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),EXB841中的互補(bǔ)輸出級(jí)中的上管導(dǎo)通,IGBT導(dǎo)通;反之,輸入為低電平時(shí),IGBT關(guān)斷.EXB841內(nèi)部過流保護(hù)電路通過檢測(cè)IGBT的集射極電壓Vce來判斷IGBT是否過流,其判斷公式為:
Vce+V1+VD≥V2    (4)
式(4)中,V1為1腳電位;VD為6腳所接二極管D導(dǎo)通壓降;V2為EXB841內(nèi)部二極管擊穿電壓.如設(shè)V1=5V,VD=1V,V2=13V,即Vce=7V時(shí),為過流保護(hù)電壓閥值,當(dāng)Vce<7V時(shí)保護(hù)電路不工作,其保護(hù)功能為:當(dāng)過流時(shí)降低柵射極驅(qū)動(dòng)電壓,并與慢關(guān)斷技術(shù)相結(jié)合[11].在檢測(cè)到短路2μS后,開始降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓,10μS內(nèi)降到OV.在這段時(shí)間內(nèi),若短路現(xiàn)象消除,柵極驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)到正常值;若故障仍存在,則5腳輸出故障信號(hào),通過一定時(shí)間的延遲后,IGBT的柵射極電壓最終為-5伏,同時(shí)封鎖輸入信號(hào),這樣避免立即停止輸入信號(hào)造成硬關(guān)斷,產(chǎn)生過電壓擊穿IGBT.其不足之處為:一、負(fù)柵壓過低,降低了IGBT的可靠性;二、沒有過流信號(hào)鎖定功能,一旦發(fā)生過流故障,并不能在當(dāng)前工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)關(guān)斷.
另外,IR系列、M579系列和VC37系列??祢?qū)動(dòng)器的原理與EXB841類似,此處不再贅述,可參閱文獻(xiàn)[12]、[13]、[14]和[15].
大功率IGBT
3結(jié)束語
以上介紹了幾種IGBT驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路.分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路復(fù)雜,但設(shè)計(jì)靈活、保護(hù)功面,模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路使電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化并具備了一定的保護(hù)功能,但這些保護(hù)功能是有限的,用時(shí),還要考慮擴(kuò)展其功能.至于實(shí)際應(yīng)用中采用哪一種方法,應(yīng)視實(shí)際情況而言.
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