（信号与信息处理专业论文）中大功率igbt驱动及串并联特性应用研究.pdf

摘 要 中大功率中大功率 igbt 驱动及串并联特性 应用研究 学科： 驱动及串并联特性 应用研究 学科： 信号与信息处理 答辩日期： 答辩日期： 2003 年 3 月 导师： 导师： 孙 强（教授） 签字： 签字： 作者： 作者： 陶 健 签字： 签字： 摘 要 摘 要 本文在分析了中大功率 igbt 特性、工作原理及其驱动电路原理和要求的基 础上， 对 exb841、 m57962al、 2sd315a 等几种驱动电路的工作特性进行了比较。 并针对用于轻合金表面防护处理的特种脉冲电源主功率开关器件驱动电路运行中 存在的问题对驱动电路提出了功能改进和扩展方案，进行了实验调试，并成功地 应用于不同功率容量 igbt 模块的驱动，运行情况良好，提高了电源的可靠性。 针对电源设备的进一步功率扩容要求，采用 igbt 模块串、并联运行方案。 对并联模块的均流、同步触发、散热、布局、布线等问题进行了详细的分析和讨 论，同时也讨论了串联模块的均压、驱动等问题，并用仿真电路对串并联模块的 工作特性进行了仿真分析。最后将 igbt 串并联方案成功地应用于表面处理特种 电源中，实际运行表明 igbt 模块的串并联扩容是可行的。 关键词： 关键词： igbt， 驱动，驱动， 串联，串联， 并联 并联 第二章 功率开关器件 igbt 特性及其驱动电路的要求 the drive circuit for new type power igbt and study of series and parallel operation speciality: signal 集电极电流从90%icm下降至10%icm这段时间为电流下降时间， 二者之 图2-3 igbt的开关过程波形图 9 和为关断时间。电流下降时间可分为tfi1和tfi2两段。其中tfi1对应igbt 内部的mosfet的关断过程，此时间段内ic下降较快；tfi2对应igbt 内部的pnp晶体管的关断过程，此时间段ic下降较慢。4 （3）（3）igbt 的主要参数 的主要参数 1、电压参数、电压参数 a. 栅-射极短路时的最大集-射直流电压vces b. 栅极开路时允许的最大集-射直流电压vceo c. 集-射极饱和电压vce(sat)，igbt饱和导通时通过额定电流时的集- 射电压。 d. 栅-射极最高电压vges，集-射极短路时的最大栅-射极电压。 e. 栅极开启电压vge(th)，在规定的集电极电流和集-射电压条件下的 栅-射级电压，通常指能使igbt导通的最小电压。 f. 绝缘电压viso， 指外壳与管芯绝缘的igbt模块， 三个极完全短路 的情况下，三个电极与冷却体接触面间能容许的正弦波最高绝缘 电压，一般指交流有效指。 g. 集-射极反向电压vecs，集成有续流二极管的igbt，在二极管处 于导通状态时，在极间测得的二极管正向压降。 2、电流参数 2、电流参数 a. 集电极额定电流icn，在额定测试温度下，所允许的集电极最大 直 流 电 流 。 实 际 上 ， 一 般 应 选 用 实 际 使 用 的 平 均 电 流 ic=(1/21/3)icn。 b. 集电极的反向电流-ic，当igbt内部集成有续流二极管时，额定 测试温度下，所允许的集电极最大直流电流。 c. 集电极脉冲峰值电流icp，在一定脉冲宽度工作时，igbt的集电 极允许的最大脉冲峰值电流。 d. 集-射极短路时的栅极漏电流iges，在栅-射短路条件下，在栅-射 极加额定电压时的栅极漏电流。 第二章 功率开关器件 igbt 特性及其驱动电路的要求 10 e. 栅-射短路时的集-射极漏电流ices，将栅-射短路，在集-射极间加 额定电压时的集电极漏电流。 （2） 最大功耗（2） 最大功耗p pt t 在壳温为25c的条件下，每个igbt开关所允许的最大不导致其 自身损坏的功率损耗。 （3） 时间参数） 时间参数 igbt的时间参数有开通时间、关断时间、上升时间和下降时间。 （4） 最高工作频率（4） 最高工作频率f fmax max igbt的最高工作频率是指对应开通时间和关断时间、额定工作电 流且igbt结温不超过允许值所能使用的最高开关频率。 （5） 结温） 结温 指igbt工作时不导致损坏所允许的最高结温。 （6） 贮存温度 tstg （6） 贮存温度 tstg 是指在无电气负载条件下，不使其性能下降对igbt的保存或运输 所允许的温度范围。 2.1.3 igbt 的擎住效应和安全工作区 的擎住效应和安全工作区 在igbt的内部寄生着一个晶闸管， 在晶闸管内的npn晶体管的基 极和发射极之间存在体区短路电阻，当超过额定集电极电流时，由于电 阻的压降过大会导致栅极失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电 流过大，造成器件功耗过高而损坏，这种现象被成为擎住效应或自锁效 应。引发擎住效应的原因可能是集电极电流过大（静态擎住效应） ，也可 能是dvce/dt过大（动态擎住效应） ，温度升高也会加重产生擎住效应的 危险。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此 所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。5-7 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗可以确 定igbt在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区 11 （fbsoa） ，导通时间长、发热严重则安全工作区变窄；根据最大集电 极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dvce/dt可以确定 igbt在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区 （rbsoa） 。它随igbt关断时的再加dvce/dt而改变，过高的dvce/dt 会使igbt产生动态擎住效应，因此dvce/dt越大，rbsoa越小。在应 用igbt使，尽量使其工作在安全工作区以内。 2.2 igbt 驱动电路的要求驱动电路的要求 2.2.1 igbt 的栅极驱动 的栅极驱动 igbt是压控器件，其门极驱动条件密切地关系到它的静态和动态 特性。对于大功率 igbt，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关 断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压vge、负 偏压-vge和门极电阻rg的大小，对igbt的通态压降、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2-1所示： 表2-1 igbt门极驱动条件与器件特性的关系4 特性 vce(on)ton、eontoff、eoff负载短路能力电流dvce/dt +vge增大 降低 降低 - 降低 增加 -vge增大 - - 略减小- 减少 rg - 增加 增加 - 减少 栅极正电压vge的变化对igbt的开通特性，负载短路能力和 dvce/dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在 门极电路的设计中，还要注意开通特性，负载短路能力和由dvce/dt电 流引起的误触发等问题。 (1) igbt 对栅极驱动电路的特殊要求 对栅极驱动电路的特殊要求 由于igbt的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变 化，因而驱动电路性能不好常常导致器件损坏，igbt对驱动电路有许 第二章 功率开关器件 igbt 特性及其驱动电路的要求 12 多特殊的要求，概括起来有：9-11 a、 驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。igbt开通时，前 沿陡峭的栅极电压加到栅极g与发射极e之间，使其快速开通，达 到开通时间最短，以减小开通损耗。在igbt关断的时候，其栅极 驱动电路要提供给igbt下降沿很陡的关断电压，并给igbt的栅 极g与发射极e之间施加一适当的反向偏置电压，以使igbt快速 关断，缩短关断时间，减小关断损耗。 b、 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 而损坏。 c、 igbt的栅极驱动电路提供给igbt的正向驱动电压+vge要取 合适的值，特别是具有短路工作过程的设备中使用igbt时，其正 向驱动电压更应选择所需要的最小值。开关应用的igbt的栅极电 压应以10v15v为最佳。 d、 igbt的关断过程中，栅-射极间施加的负偏压有利于igbt的 快速关断，但也不宜取的过大。 （一般取-2v -10v） e、 在大电感负载的情况下，过快的开关反而是有害的，大电感负 载在igbt的快速开通和关断时，会产生高频且幅值很高而宽度很 窄的尖峰电压ldi/dt，该尖峰不易吸收，容易造成器件损坏。 f、 由于igbt多用于高压场合，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。 g、 igbt的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用，应具有igbt的 完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗尽可能地低。 h、 驱动电路的栅极配线走向应与主电流线尽可能远，且不要将多 个igbt的驱动线扎在一起。同时驱动电路到igbt模块栅-射引线 应尽可能的短，采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，并从栅极直接接到 13 被驱动igbt的栅-射极。 i、 同一电力电子设备中，使用多个不同电位的igbt的时候，一定 要使用光隔离器，解决电位隔离的问题。 (2) igbt 栅极驱动电路应满足的条件栅极驱动电路应满足的条件1 a、如图2-4a和b所示，栅极驱动条件与igbt的特性密切相关。 vce/v 10 8 6 4 2 0 48121620 vge/v 50a 100a 150a 10 0 48121620 vge/v eon/(mj/脉冲) 5 25度 tj=125度 图 2-4 通态压降和开通损耗与栅极电压关系曲线 a、 通态压降b、 开通损耗 设计栅极驱动电路时，注意到开通特性、负载短路能力和dvce/dt 引起的误触发等问题。正向偏置电压vge增加，通态压降下降，开通损 耗eon也下降，如果vge保持不变时，饱和导通电压将随集电极电流增 大而增大，开通损耗将随结温升高而升高。 b、负偏压-vge直接影响igbt的可靠运行。负向偏置电压增高，集电极 浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，如图2-5所示。 集电极浪涌电流/a 50 40 30 20 10 0 246810 -vge /v a、 浪涌电流 25度 tj=125度 10 5 510 -vge /v b、关断能耗 图 2-5 集电极浪涌电流和关断能耗与栅极负偏压的关系 eoff/(mj/脉冲） 第二章 功率开关器件 igbt 特性及其驱动电路的要求 14 c、栅极电阻rg增加，将使igbt的开通与关断时间增加，因而使开通 和关断能耗均增加。而栅极电阻减小，又使dic/dt增高，可能引发igbt 误导通，同时rg上的损耗也有所增加。但rg的增大会使igbt的开关 时间增加，进而使开关损耗增加，因此应根据igbt的电流容量和电压 额定值以及开关频率的不同选择不同的rg阻值，一般应选rg在几欧姆 到几十欧姆之间，如表2-2所示。栅极电阻影响关系曲线如图2-6所示。 50100150200250300 0 800 1200 1600 2000 400 vge=20v 18v 15v 10v 4 8 12 16 20 e/(mj/脉冲） 0 10 102103 rg/ eon rg/ a、集电极电流上升率与栅极电阻的关系b、e on、eoff与栅极电阻的关系 图 2-6 栅极电阻的影响曲线图 (dic/dt)/(a/s) 表2-2栅极电阻的选取 600v 50 100150200300400600 800 额定电流/a 1200v 25 50 75 100150200300 400 rg / 51 25 15 12 8.2 5.1 3.3 2.2 2.2.2 脉冲电源中脉冲电源中 igbt 的保护 的保护 在特种脉冲设备中，除了选择参数合适的igbt模块、设计良好的 驱动电路外，采用必要的过电压保护、过电流保护、dv/dt保护和过热 保护等保护措施也是很重要的。特种脉冲电源设备对igbt的保护措施 有以下几种：利用过电流信号的检测来切断栅极控制信号；利用缓冲电 15 路抑制过电压，并限制过量的dv/dt；利用温度传感器检测壳温控制主 电路跳闸。 （1） 过电流保护） 过电流保护 在我们研制的特种脉冲电源中，igbt的过电流保护一般分为两种： 一种是低倍数（1.21.5倍）的过载电流保护；另一种是高倍数（可达 810倍）的短路电流保护。对于低倍数的过载保护采用了进行集中式的 保护，即使用电流传感器检测输入端或主电路中直流母线的总电流，当 总电流超过设定值后，比较器翻转，封锁装置中所有igbt的驱动脉冲。 对于单个igbt的保护，采用集-射电压识别法，如图2-2a所示，由于 igbt的通态饱和压降vce(sat)与集电极电流呈线形关系， 利用测量vce(sat) 的大小来判断igbt集电极电流的大小。主要考虑了两点问题：一是识 别时间；二是保护切断速度。从识别出过电流信号到切断栅极控制信号 的总时间必须小于允许短路过电流的时间。过流时，切断igbt集电极 电流不能和正常工作中切断速度一样快，那样会导致dic/dt过大，在主 电路电感中引起很高的反电势而形成尖峰电压，容易损坏器件。因此对 igbt实行在允许的过流时间内对其慢速关断。以下给出合理驱动电路 的原理框图，如图2-7所示： 高速驱动 低速驱动 驱动电压电压检测 vc rg vcc 故障检测 与门 驱动 图 2-7 igbt驱动电路原理图 第二章 功率开关器件 igbt 特性及其驱动电路的要求 16 （2） dv/dt 保护 （2） dv/dt 保护 在半桥感性负载电路运行时，处于关断状态下的igbt，由于与其 反并联的二极管的恢复过程，将承受c-e电压的急剧上升。此静态的 dv/dt通常比igbt关断时vce的上升率高。此dv/dt在集电极栅极间电 容内产生电流流向栅极驱动电路，如图2-8所示： ccg rgrgilglgi igbt vge dv/dt id id id c e voff id=ccgdv/dt vge=(rg+rgi)id+(lg+lgi)did/dt-voff 图 2-8 dv/dt对igbt栅极电路的影响 虽然在关断状态时，栅极为反向偏置。由于流过栅极电路的阻抗， 该电流令vge增加 （趋向于vge(th)） 。 最坏的情况是该电压达到阈值电压， 则该igbt将被开通，导致桥臂直通短路。dv/dt保护的目的主要是防止 擎住效应，及防止集电极电流连续值超过临界值。为了防止误导通，采 用如下的方法：5 a、 在关断的时加足够的负栅压vge(off)（-8 -10v） ； b、 关断状态时，rg取较低的阻值； c、 尽可能地减小栅极电路中的电感lg。 （3） 短路保护） 短路保护 在这种特种脉冲电源中， 主开关器件igbt 构成的h型逆变器电路 中发生负载短路或同一桥臂出现直通现象时，母线电压直接加在igbt 的c、e两端，流过igbt的集电极电流会急剧增加，此时如不及时撤 17 消栅极驱动信号，必将造成igbt的烧毁。20-22为防止短路故障，电路 中设计有故障检测与保护环节，及时检测出过电流故障，并迅速切除。 在我们的h型逆变桥臂电路中，引起短路的主要原因有： a、 直通短路主要原因是，桥臂中某一个器件或反并联二极管损坏。 b、 桥臂短路，主要由于控制回路、驱动回路的故障或干扰噪声引起 的误动作，造成一个桥臂两个igbt同时开通。 c、 负载电路接地短路，或者输出短路。 igbt能承受短时间的短路电流，该时间与igbt的饱和导通压降有 关系，随着饱和导通压降的增加而延长。为了可靠保护器件，比较理想 的方案是出现过电流时，立即降低栅压，使电流值不能达到最大短路峰 值，这样可以避免igbt出现锁定损坏。栅极电压降低igbt压降增大， 短路电流明显减小，短路的承受时间延长，这样也就延长了“故障检测” 时间。出现短路的时候，igbt必须维持在短路安全工作区内。 对于短路保护，在直流母线上接电流传感器的方式检测直流母线电 流，当发生短路的时候，母线电流超过设定值，比较器翻转，封锁所有 的驱动脉冲，保护igbt模块，如下图2-9所示： 电流传感器 比较器 锁定 负载驱动电路 禁止信号驱动门 保护 清除保护 pwm信号 pwm信号发生器 清除 图 2-9 短路保护示意图 第二章 功率开关器件 igbt 特性及其驱动电路的要求 18 此外还可以使用对单个igbt欠饱和式保护，这种方式在很多驱动 电路中都有使用，基本原理是检测igbt饱和导通压降vce(sat)来判断集 电极电流，通过比较器翻转来封锁驱动脉冲的方式，框图如2-10所示： 比较器 栅极驱动 失效锁定与门 图 2-10 防止饱和短路示意图 禁止 清除 来自驱动逻辑 vref 一旦检测出短路，为了避免igbt受到短路破坏，保护措施是在10 s内将igbt关断。在这种情况下，吸收电路经过了特别设计，使其适 用于短路情况。 采用控制vge的大小来使之关断的技术， 以便减小igbt 的内部应力：a)、控制关断：栅极电压被分步减小或斜坡减小，igbt的 沟道电阻增大，所以短路电流也减小下来，随着igbt的关断，di/dt亦 减小，所以毛刺尖峰电压同时被减小。b)、vge钳位：从特性曲线看， 短路电流的峰值取决于vge的数值，vge的数值则由栅极集电极电容回 馈的dv/dt来决定。这种影响可以通过钳制vge于18v以下而消除。钳 位电路如下图2-11所示：5 rg on off vg(on) vg(off) ccl dcl c e igbt 图2-11 v ge钳位电路示意图 19 钳位二极管dcl和钳位电容ccl必须直接与igbt模块的信号端子 连接；dcl必须有快速的正向恢复能力。对于比较小电流的igbt可以 采用在栅极和发射极之间采用齐纳二极管进行钳位。 （4） 过电压保护） 过电压保护 变流器中igbt快速开关时，会因配线电感中积蓄的能量释放或辅 助回路中续流二极管反向恢复而产生开关浪涌电压。如果浪涌电压的幅 值大和持续时间长， 容易损坏igbt。 采用了多种过电压抑制措施使igbt 在开关浪涌电压的作用下还能工作在安全工作区内。 一般应用igbt时， 抑制浪涌电压主要是利用rcd缓冲电路来吸收。23-24 2.3 本章小结本章小结 本章主要介绍了功率igbt工作原理、特性以及主要电参数，这些 参数和特性对于设计igbt的驱动保护电路是非常关键的。驱动电路对 igbt工作在比较理想状态下起着至关重要的作用，保护电路使昂贵的 器件得到保护，是其安全工作的保障，本章分析了igbt门极驱动的特 殊要求和保护电路的主要要求，给出了理想驱动电路的结构图。正是基 于这些要求，我们才能设计比较合理、可靠的驱动保护电路。 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 20 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析 比较和实际应用 在本章讨论具体igbt的驱动电路之前，已经分析了igbt的特性 以及其驱动电路的要求和特点。而在实际应用中，对于不同功率容量的 脉冲电源，采用了不同的功率开关器件。在驱动电路方面，主要采用集 成驱动电路， 对于不同功率容量的模块先后使用了富士电机的exb841、 三菱电机的m57962al以及瑞士concept公司的2sd315a等集成驱 动电路。同时，对于几种电路的优缺点，以及使用当中存在的主要问题 做了分析和讨论。 3.1 厚膜驱动器集成电路厚膜驱动器集成电路 exb841 exb841为日本富士公司推出的igbt专用厚膜集成驱动芯片，适 合驱动300a/1200v以下的igbt模块，具有隔离强度高、反应速度快 等优点，并可以对igbt实施过流保护，市场占有率较高，它是目前在 我国电力电子行业使用量比较大的igbt驱动器。在实际应用中，主要 用它来驱动300a/1200v的igbt模块，采用的模块有西门子的 bsm300gb120dlc，西门康的skm300gb123d等。 3.1.1 引脚名称、功能 引脚名称、功能27 表3-1 exb841引脚名称、用法 引脚号 符 号名 称 功能或用法 1 ve 驱动脉冲输出相对地端 使用中， 接被驱动igbt的 发射极 2 vdd 功率放大级电源连接端使用中，接+20v电源 3 vg 驱动脉冲输出端 接被驱动的igbt的栅极 4、7、8、 10、11 nc 空端 使用中，悬空 21 5 io 过电流保护动作信号输 出端 接光耦合器一次侧二极管 的阴极 6 vce 过电流保护取样信号连 接端 通过快恢复二极管接igbt 集电极 9 gnd 驱动输出级电源地端 接+20v电源地，与14、15 脉冲的参考地端电位隔离 14 vin 驱动信号输入连接负端接脉冲形成部分的地 15 vin+ 驱动信号输入连接正端 通过一个电阻接脉冲形成 部分的脉冲输出端 3.1.2 内部结构和工作原理 内部结构和工作原理 exb841驱动器内部结构框图如3-1所示 a 14 过电流保 护电路 15 光耦合器 图3-1 exb841内部结构框图 由图3-1可以知道，exb841由放大部分、过电流保护部分及5v基 准电压几部分组成。放大部分由光耦合隔离器、中间放大部分及推挽输 出部分组成。 过电流保护部分实现过电流检测和延时保护功能。exb841 的引脚6通过快速二极管接至被驱动igbt的集电极，显然他是通过检 测vce的高低来判断是否发生短路。图中电阻和稳压管组成5v基准电 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 22 压，为驱动igbt关断时提供-5v的反偏压。 exb841内部电路原理图如图3-2所示：1 tlp550 vlc c1 100p c2 1100p c3 1n r1 r2r3 r8 r9 r5 r4 b c d vd1 v4 v5 +20v 0v c5 96n vs2 5.1v c4 22n rg g c e vd2 r10 r7 v3 vs1 13v r6 1k 220 220 v1 v2 56k2.2k 220 2.2k 2.2k 6.8k 3-10 14 15 e a 图 3-2 exb841内部电路原理图 a 当exb841的14脚和15脚有10ma的电流流过1s以后igbt正 常开通，vce下降至3v左右，6脚电压被钳制在8v左右，由于vs1稳 压值是13v，所以不会被击穿，v3不导通，e点的电位约为20v,二极管 vd1截止，不影响v4和v5正常工作。 当14脚和15脚无电流流过，则v1和v2导通，v2的导通使v4截 止、v5导通，igbt栅极电荷通过v5迅速放电，引脚3电位下降至0v， 是igbt栅-射间承受5v左右的负偏压，igbt可靠关断，同时vce的迅 速上升使引脚6“悬空” 。c2的放电使得b点电位为0v，则vs1仍然不 导通，后续电路不动作，igbt正常关断。 如有过流发生，igbt的 vce过大使得vd2截止，使得vs1击穿， v3导通，c4通过r7放电，d点电位下降，从而使igbt的栅-射间的电 压vge降低，完成慢关断，实现对igbt的保护。由exb841实现过流 保护的过程可知，exb841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的 电压不仅与vce有关，还和二极管vd2的导通电压vd 有关。 23 3.1.3 exb841 保护功能分析和改进措施 （1）功能分析 保护功能分析和改进措施 （1）功能分析 从上面分析可知，exb841在过流时会降低vge的压降，同时也会 “慢关断” 。在检测到短路1.5s后，开始降低vge ，经过约8s，vge 降到0v。在这约10s的时间内，若短路现象消失，vge会逐渐恢复到 正常值，但恢复时间由充电时间常数决定，较长的恢复时间避免了过流 时保护电路的频繁动作。另一方面，exb模块仅需单电源+20v供电， 它通过内部5v稳压管为igbt提供了+vge =+15v，-vge =-5v的电平， 既满足了igbt的驱动条件，又简化了电路，为整个系统设计提供了很 大方便。exb841实际应用接线如图3-3所示：27 rg c 47 exb841 era34-10 4.7k 15 149 1 54 2 图 3-3 exb841驱动器典型应用线路图 6 3 20v 0v 47 c igbt icc 绞线 10ma 驱动信号 过电流保护输出 在实际使用的时候注意到以下问题： a、 驱动的igbt栅-射极驱动回路往返接线不能太长， 而且栅-射接线 采用双绞线。 b、 由于igbt集电极产生较大的电压尖脉冲，增加igbt栅极串联 电阻rg有利于其安全工作。 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 24 c、 图3-3中电容c用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化， 它不是电源的滤波电容，选择47f。 （2）（2）exb841 常见问题分析常见问题分析29-31 a、exb841的6脚“悬空”引起过热分析 如图3-1所示，若exb841的6脚所在支路脚出现“虚焊”或6脚 所接快速二极管出现断路形式的损坏等情况，都会造成6脚处于悬空的 状态。当来自pwm控制电路的信号不能使光耦导通时，a点电位上升 为高电平，三极管v1、v2 饱和导通，使d、b点变为低电位，v5导通， v3截止， 来自与稳压管vs2并联的电容c5的电流经rg、v5迅速对igbt 栅-射极的等效电容cge充电，使栅-射极的电压vge迅速变为（-5v） ， 关断igbt。exb841的6脚悬空与否，对上述关断过程中exb841的关 断动作无影响。但当来自pwm控制电路的信号使光耦导通时，a点变 为低电平，v1、v2截止，d点变为高电平，exb841输出开通驱动脉冲， 而c点的电位取决于6脚的状态。若vd2工作正常时,则有一电流自b 点经r4、r5、vd2、igbt的集电极、发射极、稳压管vs2至驱动电路 的地，设igbt的导通压降为3v，vs2的稳压值为5v，此时c点则被 钳位于8v，稳压管vs1（稳压值为13v）不会导通，v3截止，c4不会 通过v3放电。若6脚因种种原因出现悬空时，则c点电位会因c2充电 电压的上升超过13v，c4会通过饱和导通的v3放电。值得注意的是， c4通过v3放电的限流电阻r7阻值较小(220)，仅为v1、v2集电极限 流电阻（2.2k）的十分之一，这样流过v3的电流很大（峰值电流约为 100ma） ，长时间这样工作，v3的发热将变严重。更为严重的是一旦v3 因发热而烧坏，exb841则彻底失去对igbt过流保护的慢关断功能 （c4 无放电回路，e点电位不能降低） 。即使6脚外围电路恢复正常，也无法 恢复exb841对igbt过流保护的慢关断功能。 b、igbt的栅-射极出现电击穿或短路引起过流的分析 由于igbt的栅-射极与普通的mos型器件相同，属于电场控制的 25 绝缘式输入级，这样有可能与普通mos管相似，在过高的栅极电压（或 干扰脉冲电压）的作用下，出现栅-射极被击穿的故障。另外，在调试中 若不慎由于示波器探头等物品会造成3脚和1脚短路。 出现上述情况时， exb841的输出电流剧增，将会烧坏输出级的v4、v5、vs2。而在输出 级流过同样电流的v4、vs2中（正向充电） ，由于它们的导通压降相差 很大 （v4导通压降为0.3v， 而vs2的导通压降为5v） ， 功耗也相差较大， 这样vs2将先于v4而烧坏。vs2烧坏后，c5上电压将充至vcc，v4将 不能导通，自然无法驱动igbt导通。 c、驱动电路参数对过热产生的影响 ? rg对过热的影响 rg对动态充电过程中，流过v4、v5、vs2的电流有很大影响，rg 减小，动态充电电流瞬时值增大。对大容量的igbt，为提高效率、减 小igbt的开关损耗，要求开关过程的时间要短一些，为此要求rg要小 一些，以减小充电回路的时间常数，这样造成exb841输出的动态充电 电流瞬时值增大，会引起v4、v5及稳压管vs2的发热，应综合考虑。 ? exb841供电电压vcc对过热的影响 vcc过大，必使由exb841输出的正反向浪涌充电的电流的瞬时值 增大，引起v4、v5及vs2发热。但vcc过小会造成vge过小，引起导 通压降增加，极端情况vge甚至小于开启电压，igbt不能导通。 ? 开关频率 f 对过热的影响 从exb841输出的驱动电流具有典型的“浪涌”特征。开关频率过 高，会使单位时间内三极管v4、v5及稳压管vs2通过浪涌电流的总时 间变长，引起v4、v5及稳压管vs2的发热。f过高也会引起igbt的开 关损耗的增加。同理，在由v4、v5、vs2构成的输出级，因稳压管 vs2 导通压降大，故最易烧坏。 （3）实际应用中存在的问题 （3）实际应用中存在的问题 然而，在实际使用中我们发现，exb841还有很多的不足和缺陷， 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 26 如下： a、 由图3-2可知，vlc由+5v稳压管供电，这虽然简化了电路，但 由于exb841的1脚接在igbt的e极，igbt的开通和截止会造成电位 很大的跳动，会有浪涌电压尖峰和浪涌尖峰电流，使vs2受到浪涌电压 和电流冲击，易损坏而使其失去关断负偏压，这无疑对exb841可靠运 行不利。 b、 exb841不具备定时逻辑栅压控制功能，即正实行过流保护慢速 关断时，若驱动器入口处驱动信号消失，则igbt立即进入正常运行时 的快速关断，产生较大的dvce/ dt，使igbt失效。 c、 由于仅有 1.5s的延时， 因此只要大于1.5s的过流都会使慢关 断电路工作。由于慢关断电路的充电时间常数是放电时间常数的10倍， 慢关断电路一旦工作，即使短路现象很快消失，exb841的3脚输出也 很难很快达到+vge = +15v的正常值。虽避免了保护频繁动作，但也使 与本脉冲关断时刻相距140s以内的所有后续脉冲受到影响， 即慢关断 不仅影响本脉冲，而且可能会影响后续好几个脉冲。 d、 过流保护的起控点设置不合理。由exb841实现过流保护的过程 可知，exb841判定过流的主要依据是6脚的电压。而6脚的电压不仅 和vce有关，还和二极管vd7的导通电压有关。exb841推荐应用电路 中使用二极管的型号era34-10，在0.50.6v时即可开通。故过流时可 以计算出vce = 130.55=7.5v。通常igbt在通过额定电流时的导通 压降比较低，通常不到3v，当vce = 7.5v时igbt已严重过流，此时电 流约为额定电流的23倍。显然，在igbt严重过流的情况下，即使 exb841模块实施了保护,对igbt的使用寿命仍有不良影响。 e、 实际应用中关断负偏压仅-5v（实测约4.5v） ，负偏压过低也是 exb841的缺点，尤其是在h型桥式高压电路中-vge的不足，容易造成 上下桥臂直通，会降低igbt的工作可靠性。 27 （4）相应的改进措施 （4）相应的改进措施 针对exb841自身的一些不足和缺陷，以及在实际中经常容易出现 的问题，采用如下相应的改进措施来弥补和完善。 a、过流保护起控点调整 a、过流保护起控点调整 在我们研究的轻合金表面处理特种脉冲电源中，经常需要电压、电 流的大范围调整。而由于其加工工艺的特点，也会出现瞬时大电流等恶 劣工作情况，这些情况要求我们合理调整驱动电路的保护动作点。igbt 饱和导通压降的大小，因生产厂家、产品型号以及使用条件的不同而存 在差异，而且随着产品的更新换代，饱和压降越来越小，比如西门子的 igbt模块bsm300gb120dlc的饱和导通压降常温下只有2.12.6v左 右。按照说明书上的电路配置exb841驱动电路，其过流保护动作点大 约为7.5v，实际测量其保护动作点，甚至可达8、9v之高。从特性曲线 可知，在大电流的范围内，igbt的集电极电流和其饱和导通压降基本 呈线性关系，如果过流保护动作点设置为这么高，则igbt早已经严重 过流，长期如此，必然容易造成模块的损坏。因此必须合理调整igbt 模块的过流保护动作点。采用在igbt的集电极增加串联二极管数目的 方法来进行保护动作点的调整，比如exb841推荐的集电极串联二极管 为era34-10，多增加一个二极管，则可以将保护动作点调低大约0.7v， 从igbt的特性曲线可以看出，0.7v的动作电压反映在uce上就意味着 ic将产生很大的变化。 由于通过串联二极管的方式只能阶梯式的调整保护动作点，串联硅 二极管大约可以调节0.7v，而锗管一次可以调节0.3v，无法做到比较精 确地进行调整，为此采用在集电极检测回路中串联电阻的方法，可以对 保护动作点进行连续调整，方法如下所述：21 1）找出实际驱动模块的过流保护临界电压动作值 具体电路如图3-4所示： 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 28 exb841 15 14 1 6 3 9 +15v rg wr1 wr2 图 3-4 exb841 保护动作点调整电路 a b vd r 令可变电阻wr1=0，在输入信号端1415之间给定一个使igbt导 通的“1”信号，通过改变wr2，逐渐地升高仿真的vce电压，直到驱 动电路保护恰好动作（通过示波器观察栅极电压波形即可以知道是否已 经保护动作） ， 测量此时点a的电压va即为此驱动电路的过流保护动作 临界动作电压。 在实际使用当中，曾经将igbt的保护动作点靠此方法调整为4.5v 左右。 但运行表明， 过低的保护动作点会使驱动电路频频发出保护信号， 几乎无法正常工作，究其原因是由于脉冲电源的负载经常会出现瞬时短 路的情况。 实验表明， 在我们的特种脉冲电源中， 将300a/1200v的igbt 模块的过流保护动作点设置为6v左右能够比较正常的工作，既保证 igbt模块不至于严重过流，又不会频频发出保护信号。 2）在驱动模块与 igbt 集电极之间串联电阻 用串联电阻的方法来调整过电流保护动作电压，使之与所驱动的 igbt通态压降相对应。改变wr2，使得当前的a点电位va等于被驱 动igbt的通态饱和压降。逐渐增大可变电阻wr1值，使b点电位vb 从va起逐步地升高，当vb达到igbt驱动电路过流保护临界动作电压 时，测出wr1的电阻并换上相应的电阻r。其他元件参数都不变，二极 29 管通态压降与电阻r两端电压的和应等于驱动电路过流保护临界动作电 压值与igbt正向管压降vce之差。由于电阻r两端的电压vr是经过 连续调节后确定的，所以igbt过流保护临界动作电压值也可以通过改 变电阻值而连续地调整，从而可以根据需要来比较准确地设定igbt过 流保护的临界动作电压。 b、负偏压调整电路 b、负偏压调整电路 理论上关断时exb841输出的负偏压为-5v，实际测量实际还要偏 低一些。在h型桥式电路中，由于主电路经常受大电流和强电压冲击， 产生负压的稳压二极管很容易被击穿短路或被烧毁，使igbt关断的时 候失去负偏压，在存在比较大的dv/dt的时候，容易使同一桥臂的两个 管子同时导通，造成桥臂直通，会烧毁电路。 32 针对exb841负偏压不 足以及该稳压二极管易损坏的缺点， 设计负偏压改进电路如图3-5所示。 采用+25v电源和-8-10左右的稳压管负偏压能够改善exb841负偏压 不足的缺点。 exb841 15 14 2 3 rg v 9 6 图 3-7 exb841负偏压改进电路 +25v 0v 8-10v vd c、逐个脉冲过电流限流保护电路、逐个脉冲过电流限流保护电路 针对这种特种脉冲电源的负载经常有瞬时短路现象的存在，采用逐 个脉冲过电流限流保护电路消除“假过流”的影响，如图3-6所示： 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 30 exb841 15 14 3 2 rg n2 + - v1 r6 v 4 n1 + - r7 9 r5 r3r2r1 r4 图 3-6 exb841逐个脉冲过电流限流保护电路 c 在过电流检测信号使比较器n1翻转为高电平时，r3c组成延时电 路，如过载信号维持510s之后，过载故障仍然存在，则比较器n2 翻转为低电平，v1导通，exb841驱动器的引脚4变为低电平，igbt 快速关断。在此之后过电流消失，过载信号撤除，但高电压加在igbt 两端，使引脚6电压升高，从而实现了管压降保护，使本周工作停止。 在下周驱动脉冲到来后重复上述过程。 如过载信号在510s之内消除， 说明是假过载信号，使得在比较器n2翻转之前比较器n1再次翻转为低 电平，以使igbt的栅极驱动保持正常。1 通过以上改进措施，大大改善了exb841驱动电路中存在的缺陷， 使其能够稳定安全的工作，在脉冲电源中驱动300a/1200v的igbt模 块运行情况良好。 3.2 厚膜集成驱动器厚膜集成驱动器 m57962al m57962al是日本三菱电机公司生产的igbt专用厚膜集成驱动芯 片。它内置了可在输入与输出之间实现良好电气隔离的光耦合器，可以 对被驱动的igbt模块实现可靠的驱动。适合驱动400a/1200v/以下的 功率igbt模块，采用双电源驱动技术，输入与ttl电平兼容。在脉冲 电源中用它来驱动400a/1200v或300a/1700v的igbt模块， 如西门子 公司的bsm400gb120dlc等，它能输出的最大峰值电流约为5a，比 exb841 的驱动功率大。 31 3.2.1 引脚功能、用法 引脚功能、用法 表3-2 m57962al管脚功能、用法 引脚号 符 号名 称 功能或用法 1 m 故障信号检测输入端 通过快恢复二极管接被驱动 igbt的集电极 2 sc 测量点端 通过一个电容接引脚4(vcc) 3、7、 9、10 nc 空端 使用中，悬空 4、 vcc 驱动输出级正电源端接功率放大级提供的正电源 5 vo 驱动信号输出端 直接串联一个电阻接被驱动 igbt的栅极 6 vee 驱动输出级负电源端接功率放大级提供的负电源 8 io 故障信号输出端 接报警光耦合器一次侧发光 二极管的阴极 13 vin 驱动脉冲输入负端 接脉冲形成部分的地 14 vin+ 驱动脉冲输入正端 驱动脉冲形成单元电源端 3.2.2 内部结构和工作原理 内部结构和工作原理 m57962al驱动器内部结构如图3-7所示， 它内部集成有光耦合器、 接口单元、功率放大单元、锁存定时复位电路、栅极封锁单元以及检测 环节等几部分。它的设计考虑了igbt驱动保护的要求，很好的实现了 驱动和短路保护的功能。其工作过程可描述如下：当来自脉冲形成单元 的驱动信号为高电平时光耦合器导通，接口电路把该信号整形后由功率 放大级的npn晶体管放大后输出，驱动功率igbt模块导通。在驱动电 路输出脉冲为低电平时， 光耦合器截止， 此时接口电路输出也是低电平， 功率放大级的pnp晶体管导通， 给被驱动的功率igbt模块栅-射极间施 加反向电压，使被驱动的igbt恢复关断状态。 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 32 接口 13 14 光耦合器 图3-7 m57962al内部结构框图 定时复 位电路 锁存检测 门极封 锁单元 vcc sc测量点 检测 vo vee 故障输出 当从引脚1检测到被驱动的igbt集-电压比较高时，则该电路就认 为负载短路或过载，立即降低栅极电压。无论输入为何种电平都封锁被 驱动的igbt栅极脉冲，保护电路动作输出故障信号低电平，并从引脚 8输出故障信号。经过预定的12ms后，如果保护电路输入的是低电平 （脉宽时间要求小于5s） ，保护电路就自行复位到正常输出状态。通 过上述动作igbt模块就能及时地得到可靠的保护，m57962al内部检 测短路的操作程序如流程图3-8所示：37 检测短路 开始 栅极封锁电路工作定时器 开始输出错误信号 定时时间到？ 输入信号低电平？ 结束 n n y y 1-2ms 图3-8 m57962al内部检测短路流程 33 3.2.3 典型应用电路以及波形 典型应用电路以及波形 m57962al的特点和性能决定了其可以用单电源或双电源工作来驱 动功率igbt模块，以下分别给出单电源和双电源供电的典型电路加以 说明。在单电源供电时，只有当供电电源vcc确已施加到该驱动器，并 且延时大于r1crev的时间常数后，才可以向该驱动器的输入端输入驱动 功率igbt导通的信号，单电源接线如图3-9所示： + + rg r1 vs2 crev 100 vcc vs1 m57962al vd1 5v 4.7k 14 13 8 1 5 4 6 图 3-9 m57962al单电源供电电路图 图中vcc是25v电源，负向偏压用一只稳压管vs与串联的限流电 阻r1产生，vs选用稳压值为10v的稳压管，r1选取2.7k左右的电阻。 由于单电源供电提供负偏压的是一只稳压管，在其被击穿时就失去了负 偏压，会因此降低igbt工作的可靠性。为提高驱动电路的可靠性，采 用了双电源供电方式。为了能够驱动大容量的igbt，可以在驱动电路 里加一级功率放大单元。采用双电源供电方式，其电路稳定性和可靠性 要好一些。图3-10给出的是m57962al双电源供电的电路图： 第三章 几种典型 igbt 驱动电路分析比较和实际应用 34 + rg ctrip vccvs1 m57962al vd1 5v 4.7k 14 13 8 1 5 4 6 图 3-10 m57962al双电源供电原理图 2 + vee c1 c2 图中的c1、c2为无感的高质量电容。接引脚8的光耦合器是给出故 障报警信号，vcc为15v，vee为10v，在m57962al的1脚和6脚之 间接一只30v的稳压管vs1，1脚为igbt集电极之间接一快恢复二极 管vd1，起反向恢复时间要求小于0.2s。若2脚悬空，短路保护检测 时间为2.6s，保护动作太灵敏常容易引起误动作。36 为此，通过接在 2、4脚