IGBT驱动电路解说

精品文档 1欢迎下载 1 1 IGBTIGBT 驱动电路的要求驱动电路的要求 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 1 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 2 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 3 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 5 10 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 4 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 2 驱动电路驱动电路 EXB841 840EXB841 840 2 12 1 EXB841EXB841 驱动芯片的内部特性及其原理驱动芯片的内部特性及其原理 精品文档 2欢迎下载 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 5 s 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 840 EXB841 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 精品文档 3欢迎下载 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 精品文档 4欢迎下载 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 22 2 EXB841EXB841 的典型应用的典型应用 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 32 3 EXB841 840EXB841 840 驱动模块过流保护的缺点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 0 5 0 6 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 2 3 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 精品文档 5欢迎下载 锋脉冲 其值可超过 6 V 甚至达到 8 9 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 1 s 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 4 5 s 包含驱动芯片与 IGBT 而过流检测的延迟时间 约为 2 7 s 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 5 s 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 3 3 SD315ASD315A 集成驱动模块集成驱动模块 3 13 1 SD315ASD315A 驱动芯片的内部特性及其原理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 精品文档 6欢迎下载 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 1 简单匹配使用的逻辑电平 5 15V 2 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 3 把送来的脉冲信号进行编码以便通过脉冲变压器传送 4 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 5 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 1 把 PWM 信号进行放大以驱动 IGBT 2 检测 IGBT 过流和短路状态 3 产生响应时间和封锁时间 4 输出信号到控制单元 LDI 5 SD315A 驱动器的各引脚功能如下 精品文档 7欢迎下载 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 23 2 SD315ASD315A 的典型应用的典型应用 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 精品文档 8欢迎下载 3 33 3 SD315ASD315A 的过流保护的过流保护 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 4 4 M57959L M57962LM57959L M57962L 厚膜驱动电路厚膜驱动电路 4 14 1 M57959LM57959L 驱动芯片的内部特性及其原理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 精品文档 9欢迎下载 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 1 运行 光耦的原边已串联限流电阻 可将 5V 电压直接加到输