IGBT驱动电路解说.doc

1IGBT驱动电路的要求驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，图1为典型的PWM信号控制图腾柱电路以驱动IGBT开通与关断。对IGBT驱动电路的基本要求如下：图1 IGBT典型驱动电路触发脉冲要有足够快的上升速度和下降速度，即脉冲沿前后要陡峭；栅极串联电阻Rg要恰当，Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，Rg过大，器件开关速度降低，开关损耗增大。栅极-射极电压(VGE)要恰当，增大删射正偏压对减小开通损耗与导通损耗有利，但也会使IGBT承受短路时间变短，续流二极管反向恢复电压增大。因此正偏压要适当，通常为+15V。为了保证在C-E间遇到噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（510）V。当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许的时间内通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。下面从以上四个方面分析三种驱动模块电路（驱动电路EXB841/840、SD315A集成驱动模块、M57959L/M57962L厚膜驱动电路）的特性。2.驱动电路EXB841/8402.1EXB841驱动芯片的内部特性及其原理EXB841驱动芯片是可作为600V400A或者1200V300A以下的IGBT驱动电路，具有单电源、正负偏压、过流检测及保护、软关断等特性。驱动模块导通与关断时间都在1.5s以内。最大允许的开关频率为40KHz。EXB 系列驱动器的各引脚功能如下：脚 1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚 2 ：电源（ 20V ）；脚 3 ：驱动输出；脚 4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚 5 ：过流保护输出；脚 6 ：集电极电压监视；脚 7 、 8 ：不接；脚 9 ： 电源地；脚 10 、 11 ：不接；脚 14 、 15 ：驱动信号输入（一，）；图2驱动电路EXB841/840EXB841 由放大部分、过流保护部分和 5V 电压基准部分组成。 放大部分由光耦合器 IS01（ TLP550 ）、 V2 、 V4 、 V5 和 R1 、 C1 、 R2 、 R9 组成，其中 IS01 起隔离作用， V2 是中间级， V4 和 V5 组成推挽输出。过流保护部分由 V1 、 V3 、 VD6 、 VS1和 C2 、 R3 、 R4 、 R5 、 R6 、C3 、 R7 、 R8 、 C4 等组成。它们实现过流检测和延时保护功能。 EXB84l 的脚 6 通过快速二极管 VD7 接至 IGBT 的集电极，显然它是通过检测电压 Uce 的高低来判断是否发生短路。5V 电压基准部分由 R10、VS2 和 C5 组成，既为驱动 IGBT 提供-5V 反偏压，同时也为输入光耦合器 IS01 提供副边电源。其主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。14和15两脚间外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在栅极与源极之间产生约15V的IGBT开通电压；当触发控制脉冲撤销时，在栅极与源极之间产生-5.1V的IGBT关断电压。过流保护动作过程是根据IGBT的集电极与源极之间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管VD7检测。当IGBT开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得VD7截止，EXB841的6脚“悬空”， C点电位开始由约8V上升，当上升至13V时，Vs1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，VD1导通，从而使IGBT的GE间电压Uce下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。射极电位为-5.1V，由EXB841内部的稳压二极管Vs2决定。 图3 EXB841典型应用电路表1 EXB841典型应用相关电阻电感匹配参数2.2EXB841的典型应用图3为官方给出的EXB841的典型应用电路。由于IGBT集电极在开通和关断过程中，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。如果RG偏大，则开通关断时间延长，使得开通能耗增加；相反，则使得di/dt增加，容易产生误导通。其中表1中给出了RG的相关取值。图中电容用来吸收由电源连接阻抗引起的供电变化，并不是电源的供电滤波电容，取值参考表1。6脚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，可防止电机反电势回流。14、15脚接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15脚输入电流一般应该小于20mA，所以在15脚前加限流电阻。2.3EXB841/840驱动模块过流保护的缺点过流保护阀值过高：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脚电压6脚电压U6不仅和Uce有关,还和二极管VD2的导通电压Ud及Ue有关，VD2在0506 V时即可开通，故过流保护阈值Uce0=u6-Ud-Ue=13 V-0.6 V-5.1 V=7.3 V。通常IGBT在通过额定电流时导通压降Uce为3.5V,当Uce=Uce0=7.5 v时。IGBT已严重过流，对应电流约为额定电流的23倍，因此，应降低Uce0。负偏压不足：ExB841为了防止较高dv/dt引起起IGBT误动作设置了负栅压，实际负栅压值一般不到-5 V在大功率臭氧电源等具有较大电磁干扰的全桥逆变应用中，电磁干扰使负栅压信号中存在随工作电流增大而增大的干扰尖锋脉冲，其值可超过6 V，甚至达到89 V，能导致截止的IGBT误导通，造成桥臂直通因此，有必要适当提高负偏压实际表明，在合理布局的基础上，需采用8 V左右的负偏压。存在虚假过流：一般大功率IGBT的导通时间ton在1s左右。实际上，IGBT导通时尾部电压下降是较慢的，实验表明，当工作电压较高时，Uce下降至饱合导通压降约需45s（包含驱动芯片与IGBT），而过流检测的延迟时间约为2.7s因此，在IGBT开通过程中，若过流保护动作阈值太高，会出现虚假过流为了识别真假过流，5脚的过流故障输出信号应延时5s，以便外部保护电路对真正的过流进行保护，在EXB841完成内部软关断后再封锁外加PWM信号。过流保护无自锁功能：在过流保护时，EXB841对IGBT进行软关断，并在5脚输出故障保护信号，但不能封锁输入PWM控制信号。3SD315A集成驱动模块3.1SD315A驱动芯片的内部特性及其原理SD315A是瑞士CONCEPT公司生产的用来驱动和保护IGBT的驱动模块，采用+15V单电源供电，内部集成有过流保护单元。当SCALE驱动器用15V供电的时候，门极输出土15V。负的门极电压由驱动器内部产生。即在驱动IGBT时栅极与源极之间开通时正偏压为+15V，关断时的负偏压为-15V。这点可以避开EXB481中的负偏压不足的问题。SD315A能输出很大的峰值电流，具有很强的驱动能力，和隔离电压能力，适合于驱 动等级为1200V/1700V极其以上的两个单管或一个半桥式的双单元大功率IGBT模块。其中在作为半桥驱动器使用的时候，可以很方便地 设置死区时间。SD315A内部主要有三大功能模块构成，分别是LDI（Logic To Driver Interface，逻辑驱动转换接口）、IGD（Intelligent Gate Driver，智能门极驱动）和输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器，如图4所示。图4 SD315A内部结构示意图控制回路产生的PWM信号一般不能简单通过变压器传送，尤其是在很大的频率变化或者占空比变化时，逻辑驱动接口单元LDI就是为此设计的，其主要功能如下：用户提供一个简单的界面，每个信号的输入都具有施密特触发特性；简单匹配使用的逻辑电平（5-15V）；在半桥模式时可以产生所需要的死区时间，也可以屏蔽这个功能。把送来的脉冲信号进行编码以便通过脉冲变压器传送；对传送过来的状态信号进行解码，以传输给控制回路进行处理。在SD315A中，所有智能门极驱动的功能都集成在智能门极驱动单元IGD中，包括变压器接口、过流及短路保护、封锁时间逻辑、状态确认、监测供电电压、其主要功能如下：对通过脉冲变压器传送过来的信号进行解码；把PWM信号进行放大以驱动IGBT；检测IGBT过流和短路状态；产生响应时间和封锁时间；输出信号到控制单元LDI。SD315A驱动器的各引脚功能如下：MOD引脚，模式选择INA引脚、INB引脚，输入通道SO1、SO2引脚，工作状态输出端RC1、RC2引脚，死区设置端3.2SD315A的典型应用SD315A有两种工作模式，分别是直接模式和半桥模式。模式选择是通过引脚MOD来确定。当MOD引脚接高电平时，为直接模式，在直接模式中，两个驱动通道是相互独立的，这种模式下死区设置端RC1、RC2一定要同时接地。当MOD引脚接地时，为半桥模式，半桥模式时，INA引脚输入PWM信号，INB引脚作为信号使能端，通过设置RC1、RC2输出端的电阻和电容可达到死去时间设置的目的。高电平有效，SO1、SO2引脚连在一起输出状态检测信号，当功率管正常时，信号为高，异常时，输出为低电平。图5 SD315A典型应用电路为防止因关断速度太快在IGBT的集电极上产生很高的反电动势，在门极输出 端采用如图所示的电路结构实现开通和关断速度的不同。开通时门极电阻为3.4，关断时电阻为6.8，二极管采用快恢 复型这样就使关断速度下降到安全水平。图中Rth与Rg前者为关断电阻，后者为开通电阻。使用这种结构的电路可以实现开通和关断的速度的不一样，增加了用户使用的灵活性。3.3SD315A的过流保护SD315A的过流保护机制和EXB841稍微有所不同，它们都是通过判断IGBT集电极和源极之间的电压Uce来判断是否过流。但是两者处理方法不一样，EXB841采用的是软关断方法。而SD315A是由IGD单元直接发出过流保护信号给控制回路进行处理，同时SD315A发出封锁信号封锁输出，保护IGBT。封锁时间大约有1s左右，其过流保护动态阀值电压可以很方便地通过改变外接参考电阻Rth来调整。4M57959L/M57962L厚膜驱动电路4.1M57959L驱动芯片的内部特性及其原理M57959L/M57962L厚膜驱动电路采用双电源（+15V，- 10V）供电，输出负偏压为-10V，输入输出电平与TTL电平兼容，配有短 路/过载保护和 封闭性短路保护功能，同时具有延时保护特性。其分别适合于驱动1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的IGBT。M57959L/M57962L在驱动中小功率的IGBT时，驱动效果和各项性能表现优良，但当其工作在高频下时，其脉冲前后沿变的较差，即信号的最大传输宽度受到限制。且厚膜内部采用印刷电路板设计，散热不是很好，容易因过热造成内部器件的烧毁。图6 M57959L内部原理示意图M57959L内部由光电耦合电路、接口电路、保护电路、驱动电路四个部分组成，如图6所示。其工作程序是：电源接通后首先自检检查IGBT是否短路或过载，若过载或短路，经外接二极管流入检测电路的电流增加，切断IGBT的驱动信号，同时在8脚输出高电平“过载/短路”指示信号；IGBT正常时，输入信号经光电耦合、接口电路、再经驱动极功率放大后驱动IGBT。M57959L厚膜驱动电路具有以下特点：采用光耦实现电器隔离，光耦是快速型的，适合20KHz左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻，可将5V电压直接加到输入 侧。如果采用双电源驱动技术，输出负栅压比较高，电源电压的极限值为+18V/-15V，一般取+15V/-10V。信号传输延迟时间短，低电平-高电平的传输延时以及高电平-低电平的传输延时时间都在1.5s以下。(a) M57959L典型应用电路示意图 (b)时序曲线图7 M57959L典型应用4.2M57959L典型应用M57959L典型应用如图7所示，电源电压Vcc