IGBT的栅极驱动电路.ppt

1 3 2IGBT的栅极驱动电路 3 2 1对IGBT栅极驱动电路的要求IGBT的栅极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性 栅极电路的正偏压VGE 负偏压 VGE和栅极电阻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 2 栅极驱动条件与器件特性的关系 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 栅极负偏压则对关断特性的影响比较大 3 1 IGBT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对驱动电路有许多特殊的要求 1 驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大 2 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 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 4 1 IGBT对栅极驱动电路的特殊要求 3 IGBT的栅极驱动电路提供给IGBT的正向驱动电压十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 4 IGBT的关断过程中 栅一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 10V 5 1 IGBT对栅极驱动电路的特殊要求 5 在大电感负载的情况下 过快的开关速度 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 6 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 6 1 IGBT对栅极驱动电路的特殊要求 7 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 8 驱动电路的栅极配线走向应与主电流线尽可能远 同时驱动电路到IGBT模块栅一射引线应尽可能的短 采用双绞线或同轴电缆屏蔽线 并从栅极直接接到被驱动IGBT的栅一射极 9 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 7 2 IGBT栅极驱动电路应满足的条件 1 栅极驱动条件对IGBT特性的影响通态压降和开通损耗与栅极电压关系曲线 8 2 负偏压 VGE对IGBT的可靠运行的影响 图3 7集电极浪涌电流和关断能耗与栅极负偏压的关系 9 3 栅极电阻RG的影响 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 10 图3 8栅极电阻的影响曲线图 11 栅极电阻的选取 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 如下表所示 12 3 2 2EXB840系列集成驱动电路 1 主要性能指标 1 最高工作频率 40kHZ2 驱动输出电压 20V3 光耦输入电流 10mA4 输出栅流峰值 4A5 驱动器件 300A 1 2kV的IGBT6 短路屏蔽时间 1 3us 13 EXB841集成驱动电路的原理图 a 结构图b 原理图c 接线图1 过电流保护电路2 信号隔离电路3 电压放大电路 14 2 工作原理 EXB 系列厚膜集成驱动电路的内部原理电路如图8 26所示 由图可知 光电耦合器OC1组成隔离环节 T2 T4 T5和R1 C1 R2 R9组成放大环节 T1 T3 D1 DW1 和C2 R3 R4 R5 R6 C3 R7 R8 C4组成过流保护环节 5 V基准电压环节由R10 DW2 和 C5组成 15 开通过程 光电耦合器 OC1 导通 A点电位降到0 V 使T1和T2截止 T2截止使D点电位上升到20 V T4导通 T5截止 T4通过栅极电阻 RG 向 IGBT 的栅极提供一个驱动电流使其导通 16 T1截止 使 20 V电源通过R3向电容C2充电 B点电位上升 由于IGBT约1 s后导通 uCE下降至3 V 从而将EXB841引脚6的电位钳制在8 V左右 因此 B点和C点电位只能到8 V左右 DW1 的稳压值为13 V 当IGBT正常开通时 DW1 不会被击穿 T3不导通 开通过程 17 关断过程 开通信号取消后 光电耦合器OC1截止 A点电位上升 使T1和T2导通 而T2的导通又使T4截止 T5导通 IGBT的栅极电荷通过T5迅速放电 EXB841引脚3的电位迅速下降至0 V 使IGBT可靠关断 18 T1导通 使C2通过T1放电 将B点和C点电位钳制在0 V DW1仍不导通 后面电路不会动作 IGBT正常关断 关断过程 19 保护动作过程 当发生短路 IGBT承受大电流而退饱和时 uCE上升很快 二极管D2截止 B点和C点电位开始由8 V上升 当上升到13 V时 DW1 被击穿 T3导通 C4通过R7和T3放电 E点电位逐步下降 二极管D1导通使D点电位也逐步下降 从而使EXB841引脚3的电位也逐步下降 慢慢关断IGBT 20 3 2 3 HR065IGBT厚膜集成驱动电路 1 内部结构和工作原理 输入脉冲信号经高速光耦合器隔离后 通过传输级即可送到输出级 产生正 负偏压加到 IGBT 栅极 故障检测电路动作时 经开关 S2向故障信号输出电路及导通保持电路发出动作信号 导通保持电路的作用是实现所谓的 软关断 软关断的好处是可延长IGBT承受短路的时间 同时能有效地抑制C E端的关断尖峰电压 避免器件因过电压而击穿 逻辑电路的作用是保证只有在输出正向偏压期间 故障检测电路才起作用 其余时间不起作用 21 HR065的内部电路原理图 具体工作原理如下 光耦合器OC1 晶体管T1 T2 T3及电阻构成了驱动器的基本电路 其中T2 T3为一对互补推挽输出管 T2导通时T3必须截止 驱动器向IGBT栅极输出正电压 反之输出负电压 T1为信号中间推动管 光耦合器OC1起传递输入信号和实现输入 输出隔离的双重作用 22 T4 T5 D1及R4 R8 C1 C3构成了过电流检测 故障信号输出电路及导通保持电路 当IGBT正常导通时 引脚8和引脚1之间的电压 为IGBT饱和压降与外接检测二极管正向压降之和 较低 故 DW1 中无电流通过 T5基极没有正向偏置而处于截止状态 故障输出端5 6之间无电压输出 23 当发生过电流时 IGBT的饱和压降随着短路电流的增大而升高 当增大到超过某一设定值时 DW1 反向导通 为T5提供基极电流 T5由截止转为导通 故障输出端有电压输出 此时D1导通 强行将T2 T3的基极电流减小 使T2从饱和区退回到放大区 造成输出正向驱动电压下降 以实现软关断 24 另一方面 T5导通时 产生正向脉冲信号经C2耦合到导通保持电路 由于C3的作用 可使T4保持约30 s 45 s的导通状态 保证了T1在这段时间内可靠截止 不受输入端信号的影响 如果在这段时间内 过电流故障撤销 则D1截止 正向驱动电压恢复正常 IGBT 照常工作 25 此段时间以后 如过电流故障仍然存在 在输入封锁信号作用下 光耦合器 OC1 中的晶体管截止 使T1导通 立即在IGBT栅极上形成负偏电压而关断器件 同时T6导通 故障检测电路不起作用 T6起着一个逻辑电路的作用 即只在驱动器输出正向电压时才开放过电流检测电路 其他情况下均使其无效 这样才能可靠地防止 假过电流 26 3 2 4M579系列集成驱动电路 M57959L M57962L混合集成驱动电路最高工作频率也为40kHz 采用双电源供电 15V和 10V 输出电流峰值分别为 2A M57959L 和 5A M57962L 电路驱动部分与EXB系列相仿 过电流保护的特色 其检测方法仍用电压采样 保护方法则采用栅压缓降 实现IGBT软关断 避免关断中过电压 27 M579系列的电路框图 a 框图b 原理图1 接口电路2 检测电路3 定时电路4 栅极减压 封锁电路5 输出电路 28 3 2 52SD315A型集成驱动电路 1 2SD315A简介2SD315A是瑞士CONCEPT公司推出的SCALE系列驱动电路中应用较多的一种 是可驱动和保护大功率IGBT的专用集成驱动电路 该电路可广泛的应用于大功率电机控制器 弧焊电源 DC DC变换器等领域 2SD315A内部包含有两路IGBT驱动电路 可用于驱动两路IGBT 且具有安全性 智能性与易用性等特点 29 2 2SD315A的内部结构 三大功能模块 1 LDI 逻辑驱动转换接口 2 IGD 智能门极驱动 3 输入与输出相互绝缘的DC DC转换器 30 3 2SD315A的特点 1 可选择的工作模式与死区时间2SD315A可产生独立工作模式与半桥工作模式两种工作模式 在独立工作模式下 驱动器的两路输出信号相互之间没有任何逻辑联系 在半桥工作模式下 驱动模块本身可以直接产生所需要的死区时间 使驱动的两路输出信号不会同时为高电平 2 可选择的控制逻辑电平2SD315A驱动模块采用15V单电源供电 输入控制信号InA与InB可以分别采用TTL电平与 15V电平两种模式工作 31 3 2SD315A的特点 3 可选模式的信号输入与状态输出控制侧的两路信号分别从引脚InA与InB输入 在不同的工作模式下 这两路信号有着不同的功能 在直接模式下 输入信号InA直接控制通道1 输入信号InB直接控制通道2 在半桥工作模式下 PWM信号从引脚InA输入 而引脚InB输入的信号被定义为 允许 信号 同时对两个通道起作用 当InB输入为高电平时 两通道处于正常工作状态 当InB输入为低电平时 两通道同时被封锁 32 4 短路与过流保护 2SD315A的两通道输出端都配备有Uce监测电路 当某一路或两路的驱动侧电力器件