基于CPLD的IGBT高压大功率驱动电路的研究.doc

2012-07-19#2012-07-19#2#012-07-19#基于 CPLD 的 IGBT 高压大功率驱动电路的研究陈 俊 ,李晓帆 ,扶瑞云 ,张业茂(华中科技大学电气学院 ,湖北 武汉 ,430074)摘要 : 文中对几种基本的 I GB T 驱动电路进行了分析 ,介绍了一种基于 CPL D 的 I GB T 高压大功率驱动电路 。该方 案具有体积小 、输出电流大 、可靠性高等优点 。实验证明了该方案的可行性 。关键词 : CPL D ; I GB T ;功率驱动中图分类号 : TN389文献标识码 : ASt udy O n Drive Ci rcuit Ba se d O nC PL D Fo r Hi g h Vol t a ge a nd Hi g h Po we r I GB TCN EN J un , L I Xiao2f an , FU Rui2yun , Z HA N G Ye2mao( H uazho ng U niver sit y of Science a nd Technolo gy , Wuha n 430074 , China)A bst ract : In t hi s p aper , several ba sic driving circuit s of I GB T a re a nal yzed. A nd a driving circuit ba sed o n CPL D i s in2 t ro duced , w hich ca n drive high voltage a nd high po wer I GB T. The scheme i s p ro vided wit h t he adva ntage s of small vol2 ume , high o utp ut cur rent , high relia bilit y. The exp eriment re sult s are to verif y t he f ea sibilit y of t hi s scheme.Key wo r ds : CPL D ; I GB T ;po wer drive0引言I GB T 是 20 世纪 8 0 年代出现的新型复合型开关管 ,其集 GT R 和功率 MO SF E T 的优点于一体 , 具有 输入阻抗大 、电压控制及驱动功率小 、控制电路简单 、 耐压等级高 、通断速度快和工作频率高等诸多优点 ,因 此备受亲睐 ,其广泛应用于各类开关电源 、变频器等电力电子装置 1 。I GB T 作为一种电力电子器件 , 其应用依赖于实 际的电路条件和开关环境 。为了保障其可靠工作 ,合 理设计 I GB T 的驱动和保护电路是电路设计中的难点 和重点 ,是整个设备可靠运行的关键环节 。图 1 双绞线传输式驱动电路1 . 2 光电耦合隔离式驱动电路为了防止主电路与控制电路互相影响 ,一般需要 将控制电路与主电路进行电气隔离 。光电耦合隔离式驱动电路如图 2 所示 ,该电路通过将输入信号 U i 经光 电耦合器隔离后引入驱动电路 ,再经放大器放大由推挽电路 T2 、T3 向 I GB T 提供门极驱动信号 。T2 通过 +U c 得到一个正向门极电压 ,当 T2 截止 、T3 导通时得到 一个负的门极电压并截止 。另外设计了过电流保护装 置 。当过电流信号来时 , I GB T 脱离饱和状态 , U CE 升 高 ,VD1 检测到该信号 , 一方面通过光耦 T 向控制回 路发信号 ,另一方面在较短的时间内降低门极电压使 I GB T 关断 。几种基本的 IGBT 驱动电路1I GB T 驱动电路的形式多种多样 , 为提高驱动电路的可靠性 ,减小驱动电路体积 ,国外厂家还推出了各 种 I GB T 集成驱动模块 。下面介绍几种基本的驱动电路结构 2 。1 . 1 双绞线传输式驱动电路双绞 线 传 输 式 驱 动 电 路 如 图 1 所 示 , 该 电 路 中 I GB T 驱动电路采用双绞线直接驱动开关管 。具体即 采用正 、负偏压双电源工作方式 。门极驱动电路的输出线为绞合线 。为抑制输入信号的振荡现象 ,在门极 与发射极两端并联了一阻尼网络 。另外 ,驱动电路的 输出级与 I GB T 的输入端之间的连接串有一门极电 阻 。图 2 光耦隔离式驱动电路日本富士公司的 EXB84 系列即是采用了该方案 。 但由于光耦本身的特性 ,该方案的开关速度受到限制 ,收稿日期 : 2006208209作者简介 : 陈 俊 (19832) ,男 ,湖北人 ,华中科技大学硕士研究2012-生 0,主7要-从1事电9力#电#子#变#换#装#置#的研#究#。#2012-07开-关1频9率#最#大#只#能#达#到#24#001520 -k H0z7 3 -。19#1 . 3变压器隔离式驱动电路变压器隔离式驱动电路如图 3 所示 ,该电路通过 变压器实现控制电路和主电路的电气隔离 。其将脉冲 信号经晶体管进行功率放大后再加到脉 冲 变压 器 T上 ,并由 T 隔离耦合经稳压管 Z1 、Z2 限幅后驱动 I G2B T 。驱动级不需专门的直流电源 ,简化了驱动电路结 构 ,工作频率高 。为了让驱动信号有陡峭的上升沿和下降沿 ,必须使得M1 和 M2 的开通关断时间尽量短 ,因此在充放电参数 的选择上 ,必须尽量减少充放电回路上电阻的大小 ,同时二极管均应选择快恢复二极管 。减小电阻的阻值可 以增大驱动电流 ,提高开关速度 ,但是另一方面阻值减小 ,电路功耗也会相应增大 ,因此在实际中 ,应综合考 虑快速性和功耗两个方面 , 合理 选择 元 器件 的参 数 。该电路中 ,MO S 管 M3 主要 是防 止开 关 管的 误导 通 。 一旦 CPL D 检测到设备故障发生时 ,则发出保护信号使得 M3 导通 , 从而使 T1 可靠关断 , 这样即使 C PL D仍发出驱动脉冲信号 ,亦可保证 I GB T 的驱动信号为 零 ,保护开关管的安全 。图 3 变压器隔离式驱动电路美国 U nit ro de 公司 U C37 2423 725 系列即是采用 该种电路 。2基于 CPLD 的 IGBT 驱动电路上述 I GB T 驱动方案广泛应用于各种场合 。但在实际应用中 ,由于特殊要求 ,需要更高的开关频率及更大的驱动电流 ,而仅靠现有的集成驱动电路模块无法 满足要求 。为此 ,本文介绍一种图腾柱结构的驱动电 路 ,其 输出 电流 大 , 输出 驱 动信 号频 率 亦能 达 到 10 0k Hz 以上 。该方案框图如图 4 所示 。图 5 功率放大电路2 . 2隔离输出电路隔离输出部分如图 6 所示 ,为了保证驱动电路与 主电路在电位上的严格隔离 ,采用了脉冲变压器输出的方式 。由于 I GB T 的栅极 G 与发射极 E 之间的耐压为 2 0 V 左右 ,因此在栅极 G 上增加一保护电路 ,即在栅射极之间并联一个 1 5 17 V 的双向稳压二极图 4 驱动框图其中 C PL D 芯片主要发出带死区的两路 P WM 脉 冲信号 ,其幅值为3 . 3 V ,需经功率驱动电路放大后才 能驱动 I GB T 开关管 。功率驱动电路主要分为两部分 ,一部分为功率放 大 ,一部分为隔离输出 。2 . 1 功率放大电路该驱动电路中 ,为了保证驱动电路的驱动电流足 够大 ,采用了由 MO S 管 M1 、M2 构成推挽输出级 ,如图5 所示 。其基本工作原理如下所述 : 当输入 qa 由低变高时 ,三极管 T1 饱和导通 ,而 T2 则截止 。二极管 D1 开 始导通 , 此时 M1 和 M2 栅极分别通过 R5 、D1 、T1 组成 的回路和 D3 、R7 、D1 、T1 组成的回路放电 ,则 M1 导通 , M2 截止 ,输出 U a 为高电平 。当输入 qa 由高变低时 ,则恰好相反 , T1 关断 , T2 导通 ,D1 截止 ,此时 M1 和 M2 栅极分别通过 T2 、R6 、D2 组成的回路和 T2 、R8 组成的 回路充电 ,使得 M1 截止 , M2 导通 ,输出 U a 为低电平 。管 (图中由 Z2 组成) 来限制所加栅极电压 。通过并1 , Z联 10 k 的电阻 R1 2 ,同时在 I GB T 的栅极串入二极管降低死区期间的信号电平 ,可以防止 I GB T 开关管的 误导通 。图 6 隔离输出电路3实验结果及分析为验证上述方案的可行性 ,采用由 C PL D 控制输15 入 40 0 Hz 的脉冲信号进行实验 。其它的实验参数分别选取为 : R1 = R2 = 5 . 6 k , R3 = R4 = R9 = R12 = R1 3= 10 k , R5 = R8 = 3 . 9 k , R6 = R7 = 36 0 k , R14 =15 0 k , R15 = 47 k ,D1 D11 均采用 1 N4 14 8 。实验波 形如图 7 、8 、9 所示 。横轴 :1 ms/ 格 纵轴 : 50 V/ 格图 9 IGBT 集电极与发射极两端电压I GB T 开关管上驱动信号 。图 9 为 I GB T 集电极与发 射极两端电压 ,其幅值为 218 V 。从输出波形可以看 出 ,该驱动电路能够实现 I GB T 的可靠开通关断 ,具有 良好的驱动特性 。结论4以上结果表明 ,本文所介绍的是一种实用 、有效 、带负载能力强的驱动电路 。本方案不需要太多的独立 电源 ,在开关管器件较多的情况下 ,能够减少驱动电路 的成本与体积 ,可靠地驱动 I GB T 等电力电子开关器件 。因此本方案可以广泛应用于高压大功率场合 。参考文献 :陈 坚 . 电力电子学 M . 北京 :高等教育出版社 , 2002 .李冠一 . I GB T 驱动器的分析与选择 J . 上海冶金高等 专科学校学报 ,1999 , 20 (2) :1032106 .潘江洪 ,苏建徽 ,杜雪芳 . I GB T 高压大功率 驱动和保护 电路的应用研究 J . 电 源 技 术 应 用 , 2005 , 8 ( 11 ) : 51258 . 1 2 3 图 7 为 C PL D 发出的两路带死区的驱动信号 qa ,qb , 幅 值 为 3 . 3 V ; 图 8 为 经 过 功 率 放 大 电 路 后 的(上接第 13 页)R SD1 、R SD2 芯片直径分别 3 6 mm 、18 mm ,由 式 (4) 计算的 R SD1 、R SD2 预充需要的预充电荷量为 :QR1 S 1 = 1 . 3 10 - 5 CQR2 S 2 = 3 . 3 10 - 6 C实际 R SD1 、R SD2 预充的电荷量为 :I RS D1 t3 = 7 . 2 10 - 4 CI RS D2 t1 = 7 . 2 10 - 4 C均满足触发要求 。的预充时间 t3 及预充电流 IRSD1 的要求 。实验证明 ,采用可饱和脉冲变压器触发 RSD 是可 行的 。本文提出的可饱和脉冲变压器设计的方法也为 更高电压等级的脉冲变压器设计提供借鉴作用 。参考文献 :李 正 瀛 . 脉 冲 功 率 技 术 M . 北 京 : 水 利 水 电 出 版 社 ,1992 .余岳辉 , 梁 琳 , 李谋涛 ,等 . 超高速半导体开关 RSD 的 开通机理与大电流特性研 究 J . 电 工 技 术 学 报 , 2005 ,20 (2) : 36240 .Greho v I V . New p rinciple s of high po wer switching wit h semico nducto r devices J . Solid2State Elect ro nics , 1989 ,32 (11) : 9232930 .王瑞华 . 脉冲变压器的设计 M . 北京 : 科学技术出版 社 , 1996 . 1 2 4结论R SD 作为一种新型大功率半导体器件 ,有着良好的应用前景 。本文提出的利用可饱和脉冲变压器触发 RSD 的方法给 R SD 应用提供了一种方案 。此脉冲变 压器的设计关键是要满足变压器饱和时间 t1 、R SD2 的 预充电流 IRSD2 ,以及磁开关的饱和时间 t2 + t3 、RSD1 3 4 16 Your request could not be proce