逆变器电路IGBT的几种驱动----上海诺易逆变器

1 前言

电力电子变换技术的发展,使得各种各样的电力电子器件得到了迅速的发展。20世纪80年代,为了给高电压应用环境提供一种高输入阻抗的器件,有人提出了绝缘门极双极型晶体管(IGBT(上海诺易))。在IGBT(上海诺易)中,用一个MOS门极区来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输,这就产生了一种具有功率MOSFET(上海诺易)的高输入阻抗与双极型器件优越通态特性相结合的非常诱人的器件,它具有控制功率小、开关速度快和电流处理能力大、饱和压降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的电源、逆变器、不间断电源(UPS(上海诺易))和交流电机调速系统的设计中,它是目前最为常见的一种器件。

功率器件的不断发展,使得其驱动电路也在不断地发展,相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT(上海诺易)的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。图1为一典型的IGBT(上海诺易)驱动电路原理示意图。因为IGBT(上海诺易)栅极发射极阻抗大,故可使用MOSFET(上海诺易)驱动技术进行触发,不过由于IGBT(上海诺易)的输入电容较MOSFET(上海诺易)为大,故IGBT(上海诺易)的关断偏压应该比许多MOSFET(上海诺易)驱动电路提供的偏压更高。

栅极驱动电压IGBT(上海诺易)开通时,正向栅极电压的值应该足够令IGBT(上海诺易)产生完全饱和,并使通态损耗减至最小,同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下,开通时的栅极驱动电压,应该在12~20V之间。当栅极电压为零时,IGBT(上海诺易)处于断态。但是,为了保证IGBT(上海诺易)在集电极发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断,必须在栅极上施加一个反向关断偏压,采用反向偏压还减少了关断损耗。反向偏压应该在-5~-15V之间。

串联栅极电阻(Rg)选择适当的栅极串联电阻对IGBT(上海诺易)栅极驱动相当重要。IGBT(上海诺易)的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的,因此栅极电阻值将对IGBT(上海诺易)的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快,从而减小开关时间和开关损耗。所以,较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性(可避免dv/dt带来的误导通),但与此同时,它只能承受较小的栅极噪声,并可能导致栅极-发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。

在本文中,我们将对几种最新的用于IGBT(上海诺易)驱动的集成电路做一个详细的介绍,讨论其使用方法和优缺点及使用过程中应注意的问题。

图3和图4给出了TLP250的两种典型的应用电路。

在图4中,TR1和TR2的选取与用于IGBT(上海诺易)驱动的栅极电阻有直接的关系,例如,电源电压为24V时,TR1和TR2的Icmax≥24/Rg。

图5给出了TLP250驱动IGBT(上海诺易)时,1200V/200A的IGBT(上海诺易)上电流的实验波形(50A/10μs)。可以看出,由于TLP250不具备过流保护功能,当IGBT(上海诺易)过流时, 通过控制信号关断IGBT(上海诺易),IGBT(上海诺易)中电流的下降很陡,且有一个反向的冲击。这将会产生很大的di/dt和开关损耗,而且对控制电路的过流保护功能要求很高。

1)TLP250输出电流较小,对较大功率IGBT(上海诺易)实施驱动时,需要外加功率放大电路。

2)由于流过IGBT(上海诺易)的电流是通过其它电路检测来完成的,而且仅仅检测流过IGBT(上海诺易)的电流,这就有可能对于IGBT(上海诺易)的使用效率产生一定的影响,比如IGBT(上海诺易)在安全工作区时,有时出现的提前保护等。

3)要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快,一般由过电流发生到IGBT(上海诺易)可靠关断应在10μs以内完成

4)当过电流发生时,TLP250得到控制器发出的关断信号,对IGBT(上海诺易)的栅极施加一负电压,使IGBT(上海诺易)硬关断。这种主电路的dv/dt比正常开关状态下大了许多,造成了施加于IGBT(上海诺易)两端的电压升高很多,有时就可能造成IGBT(上海诺易)的击穿。

随着有些电气设备对三相逆变器输出性能要求的提高及逆变器本身的原因,在现有的许多逆变器中,把逆变单元IGBT(上海诺易)的驱动与保护和主电路电流的检测分别由不同的电路来完成。这种驱动方式既提高了逆变器的性能,又提高了IGBT(上海诺易)的工作效率,使IGBT(上海诺易)更好地在安全工作区工作。这类芯片有富士公司的EXB8..Series、夏普公司的PC929等。在这里,我们主要针对EXB8..Series做一介绍。

EXB8..Series集成芯片是一种专用于IGBT(上海诺易)的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS(上海诺易)、感应加热和电焊设备等工业领域。具有以下的特点:

1)不同的系列(标准系列可用于达到10kHz开关频率工作的IGBT(上海诺易),高速系列可用于达到40kHz开关频率工作的IGBT(上海诺易))。

2)内置的光耦可隔离高达2500V/min的电压。

3)单电源的供电电压使其应用起来更为方便。

4)内置的过流保护功能使得IGBT(上海诺易)能够更加安全地工作。

5)具有过流检测输出信号。

6)单列直插式封装使得其具有高密度的安装方式。

图6给出了EXB8..Series的功能方框图。

表5给出了EXB8..Series的电气特性。

表6给出了EXB8..Series工作时的推荐工作条件。表6EXB8..Series工作时的推荐工作条件

图7给出了EXB8..Series的典型应用电路。

EXB8..Series使用不同的型号,可以达到驱动电流高达400A,电压高达1200V的各种型号的IGBT(上海诺易)。由于驱动电路的信号延迟时间分为两种:标准型(EXB850、EXB851)≤4μs,高速型(EXB840、EXB841)≤1μs,所以标准型的IC适用于频率高达10kHz的开关操作,而高速型的IC适用于频率高达40kHz的开关操作。在应用电路的设计中,应注意以下几个方面的问题:

——IGBT(上海诺易)栅射极驱动电路接线必须小于1m;——IGBT(上海诺易)栅射极驱动电路接线应为双绞线;

——如想在IGBT(上海诺易)集电极产生大的电压尖脉冲,那么增加IGBT(上海诺易)栅极串联电阻(Rg)即可;

——应用电路中的电容C1和C2取值相同,对于EXB850和EXB840来说,取值为33μF,对于EXB851和EXB841来说,取值为47μF。该电容用来吸收由电源接线阻抗而引起的供电电压变化。它不是电源滤波器电容。

1)EXB8..Series的驱动芯片是通过检测IGBT(上海诺易)在导通过程中的饱和压降Uce来实施对IGBT(上海诺易)的过电流保护的。对于IGBT(上海诺易)的过电流处理完全由驱动芯片自身完成,对于电机驱动用的三相逆变器实现无跳闸控制有较大的帮助。

2)EXB8..Series的驱动芯片对IGBT(上海诺易)过电流保护的处理采用了软关断方式,因此主电路的dv/dt比硬关断时小了许多,这对IGBT(上海诺易)的使用较为有利,是值得重视的一个优点。

3)EXB8..Series驱动芯片内集成了功率放大电路,这在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。

4)EXB8..Series的驱动芯片最大只能驱动1200V/300A的IGBT(上海诺易),并且它本身并不提倡外加功率放大电路,另外,从图7中可以看出,该类芯片为单电源供电,IGBT(上海诺易)的关断负电压信号是由芯片内部产生的-5V信号,容易受到外部的干扰。因此对于300A以上的IGBT(上海诺易)或者IGBT(上海诺易)并联时,就需要考虑别的驱动芯片,比如三菱公司的M57962L等。

图8给出了EXB841驱动IGBT(上海诺易)时,过电流情况下的实验波形。可以看出,正如前面介绍过的,由于EXB8..Series芯片内部具备过流保护功能,当IGBT(上海诺易)过流时,采用了软关断方式关断IGBT(上海诺易),所以IGBT(上海诺易)中电流是一个较缓的斜坡下降,这样一来,IGBT(上海诺易)关断时的di/dt明显减少,这在一定程度上减小了对控制电路的过流保护性能的要求。

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