毕业设计（论文）-IGBT驱动电路的设计.doc

摘 要IGBT将单极型和双极型器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快，应用很广。其驱动电路性能直接影响IGBT的功耗、安全性与可靠性等特性，在功率变换器内发挥相当重要的作用。本文首先介绍IGBT的发展， IGBT的各种特性，其次介绍了IGBT驱动电路的各种保护功能，检测功能，以及栅极输入。然后又把该次设计过程详细的介绍，包括其原理图，电路板和仿真等。最后进行总结，总结了该次毕设在设计和焊接中出现的种种问题和解决方案。该次毕设达到了IGBT的驱动功能，且具备了各种保护功能。关键字: IGBT，驱动电路，HCPL-316J，栅极驱动，保护电路AbstractIGBT combines the advantages of unipolar and bipolar device to a more effective device, and has more superior characteristics with higher input impedance, faster speed, lower on voltage,higher off voltage and lager current withstand .So it is fastly developed and widely used.The driver circuit performance of it directly affects the IGBT power, security and reliability in power converters, and plays an important role in power inverter.This paper introduces the development and characteristics of IGBT firstly, and the the function of protecting function, and the grid input of IGBT driving circuit is introduced secondly. Then the design process is introduced in detail, including its principle of circuit and simulation, etc. Finally, summarizes the Picasso in design and welding problems and solutions.The proJect reaches IGBT drive function and has various protection function.KEY WORDS ：IGBT , Driving circuit,HCPL-316J，Gate drive, Protection circuit第一章 概 述1.1 IGBT的发展历程电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。功率IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件在20世纪90年代初进入实用化。近几年来，功率IGBT的性能提高很快，额定电流已达数百安培，耐压达1500V以上，而且还在不断提高。现在，跨世纪的IGBT显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。智能MOS栅IGBT模块化采用了高频性能的改进，可将驱动电路、保护电路和故障诊断电路集成在一起，制成智能功率模块，通过采用大规模集成电路的精细制作工艺并对器件的少数载流子寿命进行控制，产生了新一代功率IGBT。当前高压IGBT的研制和应用水平为：600A800A/6.5kV，工作频率为18kHz20kHZ。1.2 IGBT驱动电路的发展历程IGBT的驱动电路作为与功率器件的直接关联部分，是驱动IGBT模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路。在实际使用中除IGBT自身外，IGBT 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。IGBT的驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dine / dt等参数，决定了IGBT的静态与动态特性。IGBT驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致IGBT 和驱动器损坏。因此，在使用IGBT时，最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。致力于IGBT驱动电路及其应用电路的研究，研制出具有高性能的IGBT驱动电路，具有重要的理论意义和实际应用价值，并带动相关产业的发展，必将产生巨大的社会效益和经济效益。该驱动电路研制成功后，可广泛应用于各类IGBT的驱动。1.3 IGBT驱动电路研究内容及方法1）IGBT对驱动电路的要求分析根据IGBT的电学特性，在设计驱动电路时必须注意以下几点：(1) 栅极正向驱动电压的正确选择 (2) IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。 (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。 (4) 当IGBT关断时，电路寄生参数的干扰引起器件误导通。2）IGBT驱动电路的设计(1) 驱动电路所具备的功能 能提供足够大的驱动电流及足够高的驱动电压为确保IGBT可靠开通，驱动电路必须能提供足够大的驱动电流、足够高的驱动电压。但电压幅度不能过高，否则，会使栅射极的氧化层击穿，从而损坏IGBT。 具有电流检测功能驱动电路必须具备实时检测电流功能，以判断过流或短路是否发生。判断IGBT是否过流的方法之一，就是检测其管压降VCE的大小。 具有过流或短路保护功能在IGBT承受短路电流时，如果能及时关断它，则可以对IGBT进行有效保护。通常通过检测其管压降VCE的大小，判断过流或短路是否发生。若VCE 过高则发生短路，此时需立即采取措施，关断IGBT。 具有软关断功能在过流或短路关断IGBT时，由于IGBT中电流幅度大，若快速关断时，必将产生过高的Ldi/dt，在IGBT两端产生很高的尖峰电压，极易损坏IGBT，因此，要求驱动电路具有“软慢关断”功能。通常采取的保护措施为降栅压方法。降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后，设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件；若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。 保护具有自恢复功能当IGBT出现过流或短路等故障时，驱动电路的保护电路动作。若IGBT的短路故障消失则电路就可以恢复正常工作；若IGBT的故障末消失，则驱动电路输出相对较低频率（与正常工作频率之比）的脉冲信号。(2) 驱动电路的设计在设计驱动电路时，必须考虑IGBT的电学特性及其对驱动电路的要求。根据上述分析，IGBT的驱动电路应包含以下几个部分： 脉冲整型和功率放大电路； 定时复位电路； 电流检测电路； 过流或短路保护电路； 栅压控制电路。第二章 IGBT驱动电路条件2.1 门极驱动电路条件IGBT的门极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。门极电路的正偏压、负偏压和门极电阻Rg的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dV/dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表2-12所示。门极正电压VGS的变化对IGBT开通特性，负载短路能力和dVds/dt电流有较大的影响，而门极负偏压则对关断特性的影响较大。在门极驱动电路的设计中，必须注意开通特性，负载短路能力和由dVds/dt电流引起的误触发等问题。下表列出了门极驱动条件与器件特性的关系。特 性Vds（on）、负载短路能力电流d/dtVGS增大降低 降低 降低 增加VGS增大 略减小 减少RG增大 增加 增加 减少一个理想的IGBT 驱动器应具有以下基本性能:（1）动态驱动能力强，能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当IGBT 在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗甚至会大大超过IGBT 通态损耗，造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IGBT 的开关频率和输出能力，同时对IGBT 的安全工作构成很大威胁。IGBT 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT 的栅源特性呈非线性电容性质，因此，驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力，才能使IGBT 栅源电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也不能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也容易在控制电路中造成干扰。（2）向IGBT提供适当的正向栅压。并且在IGBT导通后。栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE越高，VDS就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V为宜。（3）能向IGBT 提供足够的反向栅压。在IGBT 关断期间，由于电路中其它部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的IGBT 处于微通状态，增加管子的功耗，重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此，最好给应处于截止状态的IGBT 加一反向栅压(幅值一般为515V) ，使IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。（4）有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中，IGBT 与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器) 中的IGBT 的工作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接耦合。因此，驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时有利于维修调试人员的人身安全。但是，这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。（5）输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。（6）IGBT驱动电路应具有完整的保护功能，具有对IGBT的自保护功能。IGBT驱动电路具有电气隔离能力，IGBT 烧毁时，集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路，从而破坏其中的某些元件。利用其电气隔离能力使驱动电路中的其它元件不会随之损坏。（7）门极驱动电路应尽可能简单实用，并具有较大的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。2.2 IGBT驱动电路几种形式驱动电路一般有以下几种形式。(1)分立元件驱动电路 由分立元件构成的插接式驱动电路，在20世纪80年代的由IGBT构成的设备上被广泛使用。分立元件驱动电路的设计和应用主要受当时电子元器件技术水平和生产工艺的制约，但随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现，这类分立元件插接式驱动电路因结构复杂、集成化程度低、故障率高已逐渐被淘汰。 (2)光电耦合器驱动电路 由于光电耦合器构成的驱动电路具有线路简单、可靠性高、开关性能好等特点，在IGBT驱动电路设计中被广泛采用。由于驱动光电锅台器的型号很多，所以选用的余地也很大。用于IGBT的光电耦合器驱动电路的驱动光电耦合器选用较多的主要有东芝的TLP系列、夏普的比系列、惠普的HLPL系列等。以东芝TLP系列光电耦合器为例，驱动IGBT模块的光电耦合器主要采用的是TLP250和TLP251两个型号。对于小电流(15A左右)的模块，一般采用TLP251。外围再辅以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路。而对于中等电流(50A左右)的模块，一般采用TLP250型号的光电耦合器。而对于更大电流的模块，在设计驱动电路时一般在光电耦合器驱动电路后面再增加一级放大电路，以达到安全驱动IGBT模块的目的。光电耦合器的优点是体积小巧，缺点是反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光电耦合器一般也大于500ns)。光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。 (3)厚膜驱动电路 厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将驱动电路的各元件集成在一块陶瓷基片上，使之成为一个整体部件。使用厚膜驱动电路给设计布线带来了很大的方便，可提高整机的可靠性和批量生产的一致性，同时也加强了技术的保密性。现在的厚膜驱动电路集成了很多保护电路和检测电路。 (4)专用集成驱动电路目前已开发和应用的专用集成驱动电路主要有IR公司的识2111、IR2112、IR2113等，其他还有三菱公司的EXB系列厚膜驱动电路等。此外，现在的一些欧美厂商在IGBT驱动电路设计上采用了高频隔离变压器(如丹佛斯VLT系列变频电源)。通过高频变压器对驱动电路的电源及信号的隔离，增强了驱动电路的可靠性，同时也有效地防止了主电路出现故障时对控制电路的损坏。在实际应用中这种驱动电路的故障率很低，大功率模块也极少出现问题。2.3 电气隔离的方式及其选择2.3.1几种常见的电气隔离方式（1）阻尼滤波门极驱动电路：为了消除可能的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。（2）光耦合器门极驱动电路：驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。（3）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路：由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。2.3.2 光耦电路及其原理耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦，是开关电源电路中常用的器件。 耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。 光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。 常用的4N系列光耦属于非线性光耦 。 线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。 常用的线性光耦是PC817AC系列。 由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用场合： (1) 在逻辑电路上的应用 光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。 (2) 作为固体开关应用 在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。 (3) 在触发电路上的应用 将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。 (4) 在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。 (5) 在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。 (6) 特殊场合的应用 光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。 第三章 IGBT保护电路分析3. 1 IGBT过压保护电路3.1.1 IGBT栅极过压保护电路 IGBT的栅极一发射极驱动电压的保证值为20v，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中流当设置+VGG栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，栅极电位升高，集电极发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或震动过程中使得栅极回路断开，在不经检查的情况下就给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。IGBT的栅极出现过电压的原因有以下两个。 静电聚积在栅极电容上引起过压电容密勒效应引起的栅极过压。 为防止IGBT的栅极一发射极过电压情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十千欧的电阻。此电阻应尽量靠近栅极与发射极，如图3-l所示。 图3-1栅极过压保护3.1.2 集电极与发射极间的过压保护电路 IGBT的栅极一发射极过电压的产生主要有两种情况：一种是施加到IGBT的集电极一发射极间的直流电压过高，另一种为集电极一发射极间的浪涌电压过高。对于IGBT的关断过电压和续流二极管的反向恢复过电压，并并接一个小电容，设计缓冲电路是抑制集电极一发射极问过电压的有效措施。缓冲电路之所以能减小IGBT集电极一发射极间的过电压，是因为它给回路电感提供了泄能回路，降低了回路电感上电流的变化率。如图3-2所示。图3-2集电极与发射极间的过压保护电路3.1.3 直流过电压 直流过压产生的原出是输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常，解决的办法是在选取IGBT时进行降额设计，另外也可在检测出这一过电压时关断IGBT的输入，保证IGBT的安全。3.1.4 浪涌过电压因电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt，威胁IGBT的安全。 如果超出IGBT的集电极发射极间耐压值，就可能损坏IGBT。抑制浪涌电压的方法主要有； 在选取IGBT时考虑设计裕量。 在电路设计时调整IGBT驱动电路的栅极电阻、使didt尽可能小。 尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感。根据情况加装缓冲保护电路，旁路高频浪涌电压。3.1.5 IGBT开关过程中的过电压 IGBT关断时，集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数千安每微秒。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时使其电流、电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏，所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升串。一般情况下，IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用，通常采用的缓冲保护电路有以下几种类型。 C缓冲电路； RC缓冲电路； RCVD缓冲电路； 放电阻止型缓冲电路。3.2 IGBT过流短路保护电路 图3-3 RCVD缓冲电路3.2.1 IGBT过流保护的分类 IGBT的过流保护电路可分为两类：一类是低倍数（1.21.5倍）的过载保护；另一类是高倍数(可达810倍)的短路保护。 (1)过载保护 原则上，IGBT在过流时的开关和通态特性与其在额定条件下运行时的特性相比并没有什么不同。由于较大的负载电流会引起IGBT内较高的损耗，所以，为了避免超过最大的允许结温，IGBT的过载范围应该受到限制。不仅仅是过载时结温的绝对值，而且连过载时的温度变化范围都是限制性因素。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。 (2)短路保护 IGBT能承受短路电流的时间很短，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5us，而饱和压降为3V的IGBT允许承受的短路时间可达15us，45V时可达30us以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方增大，造成承受短路的时间迅速缩短。 原则上，IGBT都是安全短路器件。也就是说，它们在一定的外部条件下可以承受短路电流，然后较关断，而器件不会产生损坏。3.2.2 过流保护检测电路 过流检测电路主要有三种，如下：(1)用电阻或电流互感器构成的检测过流电路(2)检测IGBT的电压的过流检测电路因，当增大时，也随之增大。若栅极电压为高电平，而较高,则此时就有过流情况发生，与门输出高电平，将过流信号输出，控制单元断开IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。 (3)检测负载电流的电路3.2.3 过流和短路保护措施 IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几微秒至几十微秒。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率dJdt过大，由于漏感及引线电感的存在，将导致IGBT集电极过电压。该过电压可在器件内部产生锁定效应，使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。 为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降，因为管压降中含有短路电流信息，过流时增大且基本上为线性关系，检测过流时的并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。 在短路电流出现时，为了避免关断电流的didt过大形成过电压，导致IGBT锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。在检测到过电流信号后首先是进入降栅保护程序，以降低故障电流的幅值，延长IGBT的短路承受时间。在降栅压动作后，设定一个固定延迟时间，用以判断故障电流的真实性。如在延迟时间内故障消失，则栅压自动恢复；如故障仍然存在，则进入软关断程序，使栅压降至0V以下，关断IGBT的驱动信号。由于在降栅压阶段集电极电流已减小，故软关断时不会出现过大的短路电流下降率和过高的过电压。采用软降栅压及软关断栅极驱动保护，使故障电流的幅值和下降率都能受到限制，过电压降低，IGBT的电流、电压运行轨迹能保证在安全区内。 在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降畅压幅度大(比如7.5V)，降栅压速度不要太快，一般可采用2us下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果降栅压幅度较小(比如5V以下)，降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。 3.2.4 典型过流保护电路(1)集中过电流保护所谓集中过电流保护，就是检测逆变桥输入直流母线上的电流，当该电流值超过设定的阈值时，封锁所有桥臂IGBT的驱动信号。图3-4为集中过电流保护的原理图，电流检测点故在直流侧，检测元件采用日木HINODE公司的直测式霍尔效应电流传感器HAP8-2004，用以检测宣流侧电压的瞬时值。HAF8-2004需要15v的供电电源，额定电流为200A，饱和电流在450A以上，额定输出电压为4V，didt响应时间在10us以下。在正常情况下，集中过电流保护电路的输出OC为高电平，一旦直流母线电流超过设定的阈值，比较器LM3ll的输出状态将由高电平变为低电平，经过R2、C2的延迟，OC将由高电平变为低电平。这个低电平信号特使封锁电路动作，封锁逆变桥所有IGBT的驱动信号。R2、C2组成的延迟电路时为防止封锁电路误动作而采取的抗干扰措施。图3-4集中过电流保护电路 (2)分散过电流保护分散过电流保护就是检测逆变桥各个桥臂上的电流，当该电流超过设定的阈值时，封锁该桥臂IGBT的驱动信号。图3-5为分散过电流保护的原理图，当栅极驱动电压不变时，IGBT的饱和压降将随着集电极电流的增大而增大。通过查阅三菱1200V IGBT的产品手册可知，与的关系可内如下经验公式表示出来。 图3-5 分散过电流保护电路 (3-1)式中：为IGBT的额定电流；15V；25。通过检测，就可以判断IGBT是否过流。在图513中，M57962L通过快恢复二极管VD及稳压管ZD来检测。当M57962L输入侧的光电耦合器导通且 ()超过阈值后，将开始软关断，M57962L的输出电压将从正栅压逐渐下降到负栅压。图513所示电路的参数为：10v，15V时，阈值9.5v，并且当不变时，Ucc每增加1V，也将加1V。可以看出，通过改变稳压管ZD的稳压值可以改变分散保护过流阈值。在实际应用中，15v，10V，VD为ERA34-10，其管压降为0.5V，5V，在此参数下分散过流保护的电流阈值为3倍的额定电流。为了使电源在短路故障状态下不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护可不必在发生一次短路时就立即封锁驱动电路，从而使工作频率降低(比如1Hz左右)，形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。且在这个过流保护中，可以给其串个电阻，根据电阻阻值乘以1短的过流源电流，就可以得到所想要的电压降，从而可以设计最大电流的大小。3.3 IGBT过热保护电路 一般情况下流过IGBT的电流较大，开关频率较高，导致IGBT器件的损耗也比较大，如果热量不能及时散掉，器件的结温将超过，IGBT可能损坏。IGBT过热的原因可能是驱动波形不好、电流过大或开关频率太高，也可能是散热状况不良。 IGBT的功耗包括稳态功耗和动态功耗，其中动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。在进行热设计时，不仅要保证其在正常工作时能够充分散热，而且还要保证其在发生短路或过载时，IGBT的结温也不超过。 在电路热设计中由于受设备的体积和重量等的限制以及出于性价比的考虑，散热系统也不可能无限制地扩大。为此，可在靠近IGBT处加装一温度检测元件，实时检测IGBT的工作温度。当检测的温度超过温度设定值时，由控制单元切断IGBT的输入，保证IGBT的安全。在IGBT往散热器上安装时应注意以下事项： 由于热阻随IGBT安装位置的不同而不同，因此，若在散热器上仅安装一个IGBT，则应将其安装在正中间，以便使热阻最小；当要安装几个IGBT时，应根据每个IGBT的发热情况留出相应的空间。 使用带纹路的散热器时，应将IGBT较宽的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形。 散热器安装表面的光洁度应小于或等于10um，如果散热器的表面不平，将大大增加散热器与器件的接触热阻，损坏IGBT的绝缘层。3.4 IGBT欠压保护电路 当栅极输入电压低于饱和开启电压时，IGBT将进入线性放大区，使IGBT功耗变大，并放热很高，时间一长很容易把IGBT烧坏，故一般不能让IGBT进入线性区，故需要给它欠压保护。现在的保护芯片一般都有此功能，如光耦合器HCPL-316J内置IGBT检测及保护功能，使驱动电路设计起来更加方便、安全可靠当低于12V时，HCPL-316J中UVLO保护激活，使输出一直保持在低电位，封锁IGBT，以免在过低的栅-射电压下IGBT处于线性区，长时间的话把IGBT烧毁当超过12V时，正常的导通关断。第四章 IGBT驱动电路设计IGBT的驱动电路设计，其主要是设计其保护电路：过流、过压、过热和欠压保护电路，检测电路：过流、过热和欠压检测电路，及其栅极驱动电路。4.1 IGBT的选择（1）IGBT种类和参数 在IGBT的选择时，所选择IGBT时，主要看的参数是、。而在市场上的IGBT的型号有PM、QM、CM、MG、MIG等，且其个型号又都有不同的和。而对于本次是设计一种比较普遍的驱动电路，故选用了价格合理且功能较强的FGA25N120ANTD。（2）FGA25N120ANTD的介绍FGA25N120ANTD是一种应用高级NPT沟道的公开专利沟道设计。这种IGBT可提供1200V的开关特性，高的雪崩击穿电压和低的导通电压。其特性有：1. NPT沟道技术，正温度系数；2. 低保和压降：当=25，=25A时，=2V；3.低开关损耗：当=25，=25A时，=o.96MJ4.很高的雪崩击穿电压4.2驱动芯片的选择和HCPL_316J芯片的介绍4.2.1 驱动芯片的种类在现代电力电子电路中，IGBT以其驱动方便、高耐压、低导通电阻、高工作频率而得到广泛应用IGBT的应用依靠实际的驱动电路条件和开关环境，性能优良的驱动和保护电路是保证IGBT高效、可靠运行的必要条件目前常用的模块EXB841，M57962L，IR21 10等，虽基本能满足IGBT驱动和保护要求，尤其是EXB系列和M579系列驱动模块当前应用还十分广泛，但其存在的缺点也是不容忽视的弊端。主要表现在EXB系列过电流保护无自锁功能，负偏压不足；M579系列过流保护仅对IGBT软关断，不能进行降栅压保护，且工作频率和控制精度受到一定限制，并且两者的应用电路复杂，可靠性不高为了克服这些不足，提高驱动电路整体性能，本文引入了门极驱动光耦合器HCPL-316J4.2.2 HCPL-316J芯片的介绍HCPL-316J是Agilen公司生产的一种光电耦合驱动器件，其特点是：内部集成集电极-发射极电压()欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出的功能，兼容CMOSTTL电平，采用三重复合达林顿管集电极开路输出，可驱动150 A1200 V的IGBT，最大开关时间500 ns，“软”IGBT关断，工作电压范围1530VDSP控制器与该器件结合可实现IGBT的驱动，使得IGBT欠饱和检测结构紧凑，低成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全与调节需要。其外部引脚图如下图所示：图4-2 HCPL-316J的外部引脚图各引脚功能如下：脚1（VIN+）正向信号输入； 脚2（VIN-）反向信号输入；脚3（VCG1）接输入电源； 脚4（GND）输入端的地；脚5（RESERT）芯片复位输入端；脚6（FAULT） 故障输出，当发生故障（输出正向电压欠压或IGBT短路）时，通过光耦输出故障信号；脚7（VLED1+）光耦测试引脚，悬挂； 脚8（VLED1-）接地；脚9，脚10（VEE）给IGBT提供反向偏置电压；脚11（VOUT）输出驱动信号以驱动IGBT； 脚12（VC）三级达林顿管集电极电源；脚13（VCC2）驱动电压源； 脚14（DESAT） IGBT短路电流检测；脚15（VLED2+）光耦测试引脚，悬挂； 脚16（VE）输出基准地。其内部结构图如下图所示：其工作原理上图所示。若+正常输入，脚14没有过流信号，且即输出正向驱动电压正常，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出低电平。首先3路信号共同输入到JP3，D点低电平，B点也为低电平，50DMOS处于关断状态。此时JP1的输入的4个状态从上至下依次为低、高、低、低，A点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT也随之开通。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，1DMOS导通，IGBT栅射集之间的电压慢慢放掉，实现慢降栅压。当时，即输出低电平，C点变为低电平，B点为高电平，50DMOS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。HCPL-316J逻辑功能表4.3 原理图的设计和个模块的介绍4.3.1 原理图和 HCPL-316J内部原理图 该次原理图设计，因为采用了HCPL-316J光耦芯片，使的设计大大的简化了，由于HCPL-316J芯片集成了各种的保护功能，所以必须要弄懂它的内部原理图，如图4-2。有了HCPL-316J的芯片的知识，以它为桥梁，再根据IGBT的特性，就可以更加简便的进行设计，故设计的原理图如图4-3图4-2 HCPL-316J内部原理图图4-3 设计原理图（均为5V）4.3.2 原理图各模块介绍1.过流保护电路模块 当电流增大时，会随电流增大而增大，当超过5.4V时，因为两个反向二极管的作用，使14脚电压大于7V,由HCPL-316J内部原理图知，比较器1输出为高，当输入型号线为低时，IGBT本来就会被关断，且没有过流信号输出；当输入信号为高电平时，过障线会变成高，会使下面那个J型管导通，使输出为低电位，把IGBT关断，起到了过流保护功能。2.欠压保护电路模块 当13脚电压小于12V时，比较器2输出为高，在输入信号为高的情况下，且没有过流的情况A、C脚为低，D脚为高，则B脚输出为高，把另一个J型管导通，使输出为低电位，把IGBT关断，起到了过压保护功能。3.过流检测模块 当出现过流时，如上过障线会变成高电位，由反馈光耦使S触发器的S脚变成高电位，当为高时，S输出为高电位，就会把左边这个J型管导通，于是把6脚这条电路导通，使发光二极管导通，变亮。于是就知道该电路出现过流问题，进行改进。起到了检测的效果。4.复位电路模块 当按一下复位键时，为低电位，S触发器为置0，相当于给电路复位。然后变成变成高电位，当正常工作时，S端为低电位，于是S触发器为保持态，一直正常工作，当出现过流问题，S端变成高电位，S触发器为置1，发光二极管变亮，随后尽管过流保护，IGBT关断，S端为高电位，但S触发器仍为保持态，发光二极管仍亮。只有当按下复位键时，才能让S触发器输出0，发光二极管变暗。5.过压保护电路模块在IGBT栅极前加了两个15V和9.1V（反向的）的稳压管，使正向电压不会超过15V，反向不会超过9.1V。同时在栅极和发射极间并联了电阻，当集射极间加有高压时不易受干扰，使栅射电压超过引起误导通。阻值太小，会使IGBT开通时间变大，降低了开关频率，在次选取阻值为20K的。同时，在IGBT的C、E两端并了个330pf的电容，来防止剑锋电压损坏IGBT。6.栅极驱动模块 栅极驱动主要采取了三极管推挽电路，因为三极管的开启关断相对于MOS管速度较快。同时采用FGA25N120ANTD推荐的10的电阻。7.输入模块 因为HCPL-316J的最大为0.8V，最小为2V。所以选高为5V,低为0V，同时给它接了两个二极管如原理图，使得不会高于5.7V，也不会低于0.7V。同时接了个1K的串联电阻来限制其电流。8.工作原理当给其输入加一个高电位时，HCPL-316J内正向光耦把高电位传过来，在没有其他故障的情况下，A点会变成高电位，导通三个npn组成的达林顿管，把的电压拉下来，于是输出高电位，就会把推挽电路的npn管导通，把15V电压拉下来，就可以驱动IGBT了，IGBT导通，达到所要的目的。同理当给输入加个低电位时，就会输出个低电位，把推挽电路的pnp管导通，把9V电压拉上去，把IGBT关断。4.4 电路功能仿真实现首先是给其加直流电压，当输入端加高电位5V时，IGBT导通，测的IGBT的集电极端为0.65V；当输入接地时，IGBT阻断，测得其集电极为15V。保护功能：欠压保护：当12脚电压小于12V时，IGBT关断，大于12V时再次开通，实现了欠压保护功能；过流保护和检测：当把IGBT的集电极和15V直接短接时，IGBT关断，并且灯亮，实现其功能；复位功能：过流灯亮后，去除过流后，按下开关按钮后，灯灭，实现其复位功能。其次用波形发生器给其输入端，设为高电平5V，低电平0V，频率为1KHZ，输出波形如下：图4-5驱动输入和栅极输入波形图（CH2为驱动输入，CH1为栅极输入）如图4-5知输入信号和所设置的一致。同时栅极输入信号的高电平约为13V，低电平约为8V。图4-6驱动输入和栅极输入波形图（CH2为栅极输入，CH1为输出）如图4-6栅极输入基本如上图4-5，输出高电平约为13.5V，低电平约为0.5V。图4-7驱动输入和栅极输入波形图（CH2为输入，CH1为输出）如图4-7，驱动输入如图4-6仍高电平为5V，低电平为0V；输出仍如图高电位约为13.5V，低电平为0.5V。 由此上三图，显然知，所设计的IGBT驱动电路实现了其驱动功能，在驱动输入高电平时导通，输出低电平时关断。第5章 结 论5.1 设计完成情况 本次的IGBT驱动电路的设计，首先我设计出了原理图，其次我把原理图焊接成了电路板，并进行调试，实现了其导通关断功能，以及保护功能：欠压、过流、过压保护，同时实现了其过流检测，复位功能等。最后用示波器输入交流型号情况下，基本输出的波形达到了所期望的效果。并且在毕设验收中，我也熟练的给验收老师进行展示，各种保护、检测功能，以及驱动都很好的实现了，所以此次毕设做的还算成功。5.2 设计中存在的问题及解决方案1.设计问题：在开关特性功能检测时，因我的集电极电压有尖峰电压，为了滤掉此尖峰，我采用加个电容，然而电容加的地方本应该在集电极到地两端，我却加在栅极到地两端。且当时加的电容有47uf，故当时就把栅极电阻给烧坏了，同时应该把芯片业给烧坏了，最后换了新的，并且把电容也也换到集电极到地两端，实现了滤掉尖峰作用。再设计时，我因为是参照了一部分别人的电路，故在过流保护的检测上，我刚开始设计的是当集电极电压达到5.6V时，才能检测到过流现象，岂知要达到5.4V，电流就必须达到150A以上，这样就没有实际意义，所以最后我根据饱和输出特性图，把输出电流超过25A 就算过流，通过查表得饱和压降差不多为2.2V，根据HCPL-316J内的电流源为250uA,我把那个自举电阻调成15K。附录附录1：到工厂实习心得在毕设刚开始，韦力老师让更快熟悉毕设和锻炼一下动手能力，以便更适应以后的工作环境，于是让去他的工厂去亲身感受了下工人的工作。刚开始，还有课程设计要做实验，所以每天只能是早上去中午回，而且每天在路上花的时间也要两个多小时。尽管这样，但是去了那，基本帮不上人家的忙，之感受到的是无比的自卑和弱小。这个工厂是替别人安装电路箱，在那里基本的安装图看不懂，自己连线也连不了，在各个电路板上的好多器件都不认识，甚至连一些电阻电容都不认识。而人家那些工人基本都是初中毕业，干起活来却是相当的老练，不管是装各个电路箱，还是给电路箱里接线，或者是看安装图，真是叫一个佩服啊。尤其以个只是在那当了三个月的学徒，年龄也没大，干起活来，那叫一个强，同时他也比较帮助，毕竟大家年龄相仿，所以很快和他成了朋友，并且有啥不懂的也都喜欢找他帮忙。但说真的刚开是在那，真的感觉很难受，有时候都不想干了，真觉得窝囊。但因为韦老师的鼓励，让坚信只要努力，工人能干的事，大学生肯定能干好，而且能干的更好。同时的组长呼啸也一直在鼓励着大家，同时以身作则，积极带动大家参加那些工人们的动手活，所以才坚持干了下去，而且在后来也终于得到了那些工人的认可，尤其让高兴的是得到了万师