IGBT驱动放大电路.doc

IGBT驱动电路的研究 发布日期：2005-09-22 来源：中国防爆网 浏览次数：4144 1 前言 IGBT也称为绝缘栅双极晶体管，是复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，它将功率场效应管和电力晶体管的优点集于一身，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因此应用更加广泛。2 IGBT的工作特性IGBT的等效电路及符合如图1所示，IGBT由栅极正负电压来控制。当加上正栅极电压时，管子导通；当加上负栅极电压时，管子关断。图1 等效电路及符号IGBT具有和双极型电力晶体管类似的伏安特性，随着控制电压UGE的增加，特性曲线上移。开关电源中的IGBT通过UGE电平的变化，使其在饱和与截止两种状态交替工作。3 IGBT对驱动电路的要求根据IGBT的特性，其对驱动电路的要求如下：(1)提供适当的正反向电压，使IGBT能可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若UGE过大，则负载短路时其IC随UGE增大而增大，对其安全不利，使用中选UGE15V为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般选UGE=5V为宜。(2)IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下，IGBT的开频率不宜过大，因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压，及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。(3)IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。(4)IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响，RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧几十欧，小容量的IGBT其RG值较大。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，GE断不能开路。图2 有正负偏压的直接驱动电路4 实用的驱动电路4.1 直接驱动法如图2所示，为了使IGBT稳定工作，一般要求双电源供电方式，即驱动电路要求采用正、负偏压的两电源方式，输入信号经整形器整形后进入放大级，放大级采用有源负载方式以提供足够的门极电流。为消除可能出现的振荡现象，IGBT的栅射极间接入了RC网络组成的阻尼滤波器。此种驱动电路适用于小容量的IGBT。4.2隔离驱动法隔离驱动法有两种电路形式。图3 变压器隔离驱动图4 隔离驱动图3为最简单的变压器隔离驱动电路，适用于小容量的IGBT。图4为光电耦合隔离驱动电路，采用双电源供电的方式。当VG使发光二极管有电流流过时，光电耦合器HU的三极管导通，R1上有电流流过，场效应管T1关断，在VC的作用下，经电阻R2、T2管的基发射器有了偏流，T2迅速导通，经RG栅极电阻，IGBT得到正偏而导通。当VG没有脉冲电压时，发光二极管不发光，作用过程相反，T1导通使T3导通，Vc经栅极电阻RG加在IGBT得栅射极之间，使IGBT迅速关断。4.3 使用EXB840集成模块控制的驱动电路相对于分立元件驱动电路而言，集成化模块驱动电路抗干扰能力强、集成化程度高、速度快、保护功能完善、可实现IGBT的最优驱动。EXB840为高速型集成模块，最大开关频率达40kHz，能驱动75A，1200V的IGBT管。图5 有过流检测、保护及软关断功能的集成驱动电路如图5所示，适当增加外部元件，可使整个电路具有过流检测、保护及软关断功能。加直流20V作为集成块工作电源。内部利用稳压二极管产生5V的电压，除供内部应用外，也为外用提供负偏压。集成块采用高速光耦输入隔离。由于EXB840的15脚接高电平，故控制脉冲输入端14脚为低电平时，IGBT导通，14脚高电平时，IGBT截止。稳压管V1、V2为栅极电压的正向限幅保护，电容C1、C2为正、反向电源的滤波电容，1脚还外接发射极的钳位二极管VD2。此外，当集电极电流过大时，IGBT的饱和压降UCE将明显增加，使集电极电位升高，过高的集电极电位作为过流信号送至6脚，通过EXB840内部的保护电路，使栅极电位逐步下降，IGBT延时截止。与此同时，5脚输出低电平，使光耦合器S01导通，输出过电流保护信号，对PWM信号提供一个封锁信号，封锁与门。IGBT在发生短路后是不允许立即过快地关断，因此时短路电流相当大，如果立即关断会造成很大的di/dt，这在线路杂散电感作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压，损坏元件。EXB840慢关断动作时间约8us，延时功能在内部电路里实现。EXB840的4脚用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作，多数场合不需接该电容。该电路适合容量较大、开关频率在40千赫以下的IGBT，整个驱动电路动作快，信号延时不超过1.5微秒。并有过流检测、保护及过载慢速关断等控制功能。5