標(biāo)簽：IGBT電源

0 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動和保護電路是電路設(shè)計的難點和重點，是整個裝置運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為解決IGBT的可靠驅(qū)動問題，本文給出1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動和保護電路設(shè)計。

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)動電流與驅(qū)動功率非常小，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IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關(guān)斷。

IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動方法和 MOSFET基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道FET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴(少子)，對 N 一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。

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)動電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅(qū)動電路要求

在設(shè)計IGBT驅(qū)動時必須注意以下幾點。

1)柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動電壓增大時，.IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減小;但若正向驅(qū)動電壓過大則負(fù)載短路時其短路電流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)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞;使用中選12V≤UGE≤18V為好。

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，因為高速開通和關(guān)斷時，會產(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IGBT的驅(qū)動相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT;RG較大，有利于抑制dvce/dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。

4)當(dāng)IGBT關(guān)斷時，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電阻。

3 HCPL-316J驅(qū)動電路

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。

從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅(qū)動的要求。

各引腳功能如下：

腳1(VIN+)正向信號輸入;

腳2(VIN-)反向信號輸入;

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，通過光耦輸出故障信號;

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)動信號以驅(qū)動IGBT;

腳12(VC)三級達林頓管集電極電源;

腳13(VCC2)驅(qū)動電壓源;

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，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動電壓正常，驅(qū)動信號輸出高電平，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到JP3，D點低電平，B點也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時JP1的輸入的4個狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點高電平，驅(qū)動三級達林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開通。

若IGBT出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅(qū)動信號繼續(xù)加在腳1，欠壓信號為低電平，B點輸出低電平，三級達林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平，C點變?yōu)榈碗娖?，B點為高電平，50×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路及參數(shù)如圖3所示。

HCPL-316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護作用，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護電路會產(chǎn)生約1μs延時，在開關(guān)頻率超過100kHz時不適合使用。