IGBT驱动电路的设计

论文题目论文题目 IGBT 驱动电路的设计驱动电路的设计 专专 业业 微电子学微电子学 姓姓 名名 薛少雄薛少雄 签名 签名 指导老师指导老师 韦力韦力 签名 签名 摘摘 要要 IGBT 将单极型和双极型器件的各自优点集于一身 扬长避短 使其特性更加优越 具有输入阻抗高 工作速度快 通态电压低 阻断电压高 承受电流大等优点 因而发 展很快 应用很广 其驱动电路性能直接影响 IGBT 的功耗 安全性与可靠性等特性 在功率变换器内发挥相当重要的作用 本文首先介绍 IGBT 的发展 IGBT 的各种特性 其次介绍了 IGBT 驱动电路的各 种保护功能 检测功能 以及栅极输入 然后又把该次设计过程详细的介绍 包括其原 理图 电路板和仿真等 最后进行总结 总结了该次毕设在设计和焊接中出现的种种问 题和解决方案 该次毕设达到了 IGBT 的驱动功能 且具备了各种保护功能 关键字关键字 IGBT 驱动电路 HCPL 316j 栅极驱动 保护电路 Subject the design of IGBT driving circuit Specialty Microelectronics Name Xue Shaoxiong Signature Instructor Wei Li Signature Abstract IGBT combines the advantages of unipolar and bipolar device to a more effective device and has more superior characteristics with higher input impedance faster speed lower on voltage higher off voltage and lager current withstand So it is fastly developed and widely used The driver circuit performance of it directly affects the IGBT power security and reliability in power converters and plays an important role in power inverter This paper introduces the development and characteristics of IGBT firstly and the the function of protecting function and the grid input of IGBT driving circuit is introduced secondly Then the design process is introduced in detail including its principle of circuit and simulation etc Finally summarizes the Picasso in design and welding problems and solutions The project reaches IGBT drive function and has various protection function KEY WORDS IGBT Driving circuit HCPL 316j Gate drive Protection circuit 目 录 第第 1 章章 概概 述述 1 1 1 功率半导体技术的发展 1 1 1 1 电力电子器件的发展 1 1 1 2 IGBT 的发展历程 2 1 2 选题目的和意义 3 1 3 研究思路 内容及方法 3 1 3 1 研究内容 3 1 3 2 研究方法 5 第第 2 章章 IGBT 原理和驱动条件原理和驱动条件 6 2 1 原理与特性 6 2 1 1 IGBT 的工作原理 6 2 1 2 基本特性 8 2 2 门极驱动 14 2 2 1 栅极驱动条件 14 2 2 2 IGBT 驱动电路 15 2 3 光耦电路及其原理 16 第第 3 章章 IGBT 保护电路设计保护电路设计 18 3 1 IGBT 过压保护电路 18 3 1 1 IGBT 栅极过压保护电路 18 3 1 2 集电极与发射极间的过压保护电路 18 3 1 3 直流过电压 19 3 1 4 浪涌过电压 19 3 1 5 IGBT 开关过程中的过电压 19 3 2 IGBT 过流短路保护电路 20 3 2 1 IGBT 过流保护的分类 20 3 2 2 过流保护检测电路 21 3 2 3 过流和短路保护措施 21 3 2 4 典型过流保护电路 22 3 3 IGBT 过热保护电路 24 3 4 IGBT 欠压保护电路 24 第第 4 章章 IGBT 驱动电路设计驱动电路设计 25 4 1 IGBT 的选择和 FGA25N120ANTD 的介绍 25 4 1 1 IGBT 种类和参数 25 4 1 2 FGA25N120ANTD 的介绍 25 4 2 驱动芯片的选择和 HCPL 316J 芯片的介绍 28 4 2 1 驱动芯片的种类 28 4 2 2 HCPL 316J 芯片的介绍 29 4 3 原理图的设计和个模块的介绍 33 4 3 1 原理图和 HCPL 316j 内部原理图 33 4 3 2 原理图各模块介绍 34 4 4 电路板设计和功能实现 36 4 4 1 电路板设计和介绍 36 4 4 2 功能仿真 37 第第 5 章章 结结 论论 39 5 1 设计完成情况 39 5 2 设计中存在的问题及解决方案 39 附录附录 41 附录 1 到工厂实习心得 41 附录 2 到华盛铝厂参观心得 42 致致 谢谢 43 参考文献参考文献 44 1 第第 1 章章 概概 述述 1 1 功率半导体技术的发展功率半导体技术的发展 1 1 1 电力电子器件的发展 电力电子技术包括功率半导体器件与 IC 技术 功率变换技术及控制技术等几个方 面 其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础 也是电力电子技术发展的 龙头 从 1958 年美国通用电气 GE 公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始 电能 的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器 时代 这标志着电力电子技术的诞生 到了 70 年代 晶闸管开始形成由低压小电流到 高压大电流的系列产品 同时 非对称晶闸管 逆导晶闸管 双向晶闸管 光控晶闸管 等晶闸管派生器件相继问世 广泛应用于各种变流装置 由于它们具有体积小 重量 轻 功耗小 效率高 响应快等优点 其研制及应用得到了飞速发展 由于普通晶闸管不能自关断 属于半控型器件 因而被称作第一代电力电子器件 在实际需要的推动下 随着理论研究和工艺水平的不断提高 电力电子器件在容量和类 型等方面得到了很大发展 先后出现了 GTR GTO 功率 MOSET 等自关断 全控型器 件 被称为第二代电力电子器件 近年来 电力电子器件正朝着复合化 模块化及功率 集成的方向发展 如 IGPT MCT HVIC 等就是这种发展的产物 电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面 实际的需要必将极 大地推动器件的不断创新 微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的 制作中得到更广泛的应用 具有高载流子迁移率 强的热电传导性以及宽带隙的新型 半导体材料 如砷化镓 碳化硅 人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高结温 高 频率 高动态参数的器件 从结构看 器件将复合型 模块化 从性能看 发展方向将 是提高容量和工作频率 降低通态压降 减小驱动功耗 改善动态参数和多功能化 从应用看 MPS 电力整流管 MOSFET IGBT MCT 是最有发展前景的器件 今后研 制工作的重点将是进一步改善 MPS 的软反向恢复特性 提高 IGBT 和 MCT 的开关频率 和额定容量 研制智能 MOSFET 和 IGBT 模块 发展功率集成电路以及其它功率器件 GTO 将继续在超高压 大功率领域发挥作用 功率 MOSFET 在高频 低压 小功率领 2 域具有竟争优势 超高压 8000V 以上 大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无 功功率补偿装置中的作用将会得到延续 而低压普通晶闸管和 GTR 则将逐步被功率 MOSFET 600V 以下 和 IGBT 600V 以上 所代替 MCT 最具发展前途 可以预见 电力电子器件的发展将会日新月异 电力电子器件的未来将充满生机 1 1 2 IGBT 的发展历程 电力电子器件的发展经历了晶闸管 SCR 可关断晶闸管 GTO 晶体管 BJT 绝缘栅晶体管 IGBT 等阶段 目前正向着大容量 高频率 易驱动 低损耗 模块 化 复合化方向发展 与其他电力电子器件相比 IGBT 具有高可靠性 驱动简单 保 护容易 不用缓冲电路和开关频率高等特点 为了达到这些高性能 采用了许多用于集 成电路的工艺技术 如外延技术 离子注入 精细光刻等 要提高功率 MOSFET 的耐 压能力 势必增加高导通电阻 从而妨碍器件在高电压 大电流范围的应用 针对这些 缺陷 20 世纪 80 年代诞生了功率 IGBT 绝缘栅双极晶体管 器件 20 世纪 90 年代初 进入实用化 近几年来 功率 IGBT 的性能提高很快 额定电流已达数百安培 耐压达 1500V 以上 而且还在不断提高 由于 IGBT 器件具有 PIN 二极管的正向特性 P 沟功 率 IGBT 的特性不比 N 沟 IGBT 差多少 这非常有利于在应用中采取互补结构 从而扩 大其在交流和数字控制技术领域中的应用 目前 应用在中压大功率领域的电力电子器件 已形成 GTO IGCT OGBT IEGT 相互竞争不断创新的技术市场 在大功率 1MW 低频 率 1kHz 的传动领域 如电力牵引机车领域 GTO IGCT 有着独特的优势 而在高载 波频率 高斩波频率下 IGBT IEGT 有着广阔的发展前景 在现阶段中压大功率变频领 域将由这 4 种电力电子器件构成其主流器件 IGBT 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击 它的并联 不成问题 由于本身的关断延迟很短 其串联也容易 尽管 IGBT 模块在大功率应用中 非常广泛 但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题 其主要失效机理是阴极引线 焊点开路和焊点较低的疲劳强度 另外 绝缘材料的缺陷也是一个问题 10 年前 IGBT 出现在世界技术舞台的时候 尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制 造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华 表现出很好的综合性能 许多人仍 难以相信这种器件在大功率领域中的生命力 现在 跨世纪的 IGBT 显示了巨大的进展 形成了一个新的器件应用平台 3 智能 MOS 栅 IGBT 模块化采用了高频性能的改进 可将驱动电路 保护电路和故 障诊断电路集成在一起 制成智能功率模块 通过采用大规模集成电路的精细制作工艺 并对器件的少数载流子寿命进行控制 产生了新一代功率 IGBT 当前高压 IGBT 的研制和应用水平为 600A 800A 6 5kV 工作频率为 18kHz 20kHZ 在工艺上 高压 IGBT 开发主要采取以下措施 一是采用沟槽结构 挖 掉了位于栅极下方 夹在 P 型基区中间的结型场效应晶体管的电阻 改善了减小通态压 降和提高频率特性之间的矛盾 二是采用非穿通 NPT 结构取代穿通 PT 结构 因 为 NPT 结构的 IGBT 芯片具有正电阻温度系数 易于并联 这是 IGBT 大功率化的必由 之路 三是高压 IGBT 作为高频器件 电磁兼容问题值得重视 采用电感封装技术可确 保系统长期可靠的运行 大容量高压 IGBT 适合采用平板式封装结构 1 2 选题目的和意义选题目的和意义 IGBT 的驱动电路作为与功率器件的直接关联部分 其性能直接影响 IGBT 的功耗 安全性与可靠性等特性 在功率变换器内发挥相当重要的作用 而 IGBT 对于技术要求 较高 国内企业还没有从事 IGBT 及其驱动电路的生产 因此 致力于 IGBT 驱动电路 及其应用电路的研究 研制出具有高性能的 IGBT 驱动电路 具有重要的理论意义和实 际应用价值 并带动相关产业的发展 必将产生巨大的社会效益和经济效益 该驱动电 路研制成功后 可广泛应用于各类 IGBT 的驱动 1 3 研究思路 内容及方法研究思路 内容及方法 1 3 1 研究内容 1 IGBT 的电学特性研究 对 IGBT 的电学特性进行深入研究是设计其驱动电路的基础 因此 本项目将首先 建立描述 IGBT 电学特性的数学模型 对其电特性进行深入分析 电学特性的研究主要 包括 栅极特性研究 开关特性 导通特性 关断特性 IGBT 的寄 生效应及过流或短路特性 2 IGBT 对驱动电路的要求分析 根据以上对 IGBT 电学特性的分析 在设计驱动电路时必须注意以下几点 1 栅极正向驱动电压的正确选择 4 2 IGBT 快速开通和关断有利于提高工作频率 减小开关损耗 3 选择合适的栅极串联电阻 RG 和栅射电容 CG 对 IGBT 的驱动相当重要 4 当 IGBT 关断时 电路寄生参数的干扰引起器件误导通 3 IGBT 驱动电路的设计和仿真验证 1 驱动电路所具备的功能 能提供足够大的驱动电流及足够高的驱动电压 为确保 IGBT 可靠开通 驱动电路必须能提供足够大的驱动电流 足够高的驱动电 压 但电压幅度不能过高 否则 会使栅射极的氧化层击穿 从而损坏 IGBT 具有电流检测功能 驱动电路必须具备实时检测电流功能 以判断过流或短路是否发生 判断 IGBT 是 否过流的方法之一 就是检测其管压降 VCE 的大小 具有过流或短路保护功能 在 IGBT 承受短路电流时 如果能及时关断它 则可以对 IGBT 进行有效保护 通 常通过检测其管压降 VCE 的大小 判断过流或短路是否发生 若 VCE 过高则发生短路 此时需立即采取措施 关断 IGBT 具有软关断功能 在过流或短路关断 IGBT 时 由于 IGBT 中电流幅度大 若快速关断时 必将产生 过高的 Ldi dt 在 IGBT 两端产生很高的尖峰电压 极易损坏 IGBT 因此 要求驱动电 路具有 软慢关断 功能 通常采取的保护措施为降栅压方法 降栅压旨在检测到器件过流时 马上降低栅压 但器件仍维持导通 降栅压后 设有固定延时 故障电流在这一延时期内被限制在一较 小值 则降低了故障时器件的功耗 延长了器件抗短路的时间 而且能够降低器件关断 时的 di dt 对器件保护十分有利 若延时后故障信号依然存在 则关断器件 若故障信 号消失 驱动电路可自动恢复正常的工作状态 因而大大增强了抗骚扰能力 保护具有自恢复功能 当 IGBT 出现过流或短路等故障时 驱动电路的保护电路动作 若 IGBT 的短路故 障消失则电路就可以恢复正常工作 若 IGBT 的故障末消失 则驱动电路输出相对较低 频率 与正常工作频率之比 的脉冲信号 2 驱动电路的设计 5 在设计驱动电路时 必须考虑 IGBT 的电学特性及其对驱动电路的要求 根据上述 分析 IGBT 的驱动电路应包含以下几个部分 脉冲整型和功率放大电路 定时复位电路 电流检测电路 过流或 短路保护电路 栅压控制电路 3 焊接成电路板进行仿真 根据电路原理图焊接成电路板 在焊接的时候不断调试 改进一定的参数 最后验 证相应的功能 1 3 2 研究方法 本项目将研制出适用于各类 IGBT 的驱动电路及其典型的应用电路 在研制过程中 采取实验测试和调试的方法 首先建立 IGBT 电学特性分析模型 根据对电特性的分析 设计出满足要求 即有 过热 过流 欠压 过流检测等功能的智能化驱动电路 再进行电路焊接 并通过电路 板实际测试和调试 达到所需的要求 6 第第 2 章章 IGBT 原理和驱动条件原理和驱动条件 2 1 原理与特性原理与特性 IGBT 将单极型和双极型器件的各自优点集于一身 扬长避短 使其特性更加优越 具有输入阻抗高 工作速度快 通态电压低 阻断电压高 承受电流大等优点 因而发 展很快 应用很广 2 1 1 IGBT 的工作原理 绝缘栅双极晶体管简称 IGBT 是由 MOSFET 和晶体管技术结合而成的复合型器件 是 80 年代出现的新型复合器件 在电机控制 中频和开关电源 以及要求快速 低损 耗的领域备受青睐 图 2 1 为 IGBT 的结构剖面图 由图可知 IGBT 是在功率 MOSFET 的基础上发展 起来的 两者结构十分相似 不同之处是 IGBT 多了一个 P 层发射极 可形成 PN 发 射结 J1 并由此引出漏极 门极和源极与 MOSFET 相似 图 2 1 NPT 型 IGBT 的结构剖面图 IGBT 按缓冲区的有无来分类 缓冲区是介于 P 发射区和 N 漂移区之间的 N 层 无缓冲区 N 者称为对称型 IGBT 也称为非穿痛型 IGBT 有 N 缓冲区者称为非 对称型 IGBT 也称为穿通型 IGBT 因为构造不同造成其特性的不同 非对称型 IGBT 由于存在 N 区 反向阻断能力弱 但其正向压降低 关断时间短 关断时尾部电流小 7 与之相反 对称型 IGBT 具有正反向阻断能力 其他特性不及非对称型 IGBT 从结构图可以看出 IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR 其等效电 路如图 2 2a 所示 N 沟道 IGBT 图形符号如图 2 2b 所示 对于 P 沟道 IGBT 其图形符 号中的箭头方向恰好相反 图中的电阻是厚基区 GTR 基区内的扩展电阻 IGBT 是 dr R 以 GTR 为主导元件 MOSFET 为驱动元件的达淋顿结构 图示器件为 N 沟道 IGBT MOSFET 为 N 沟道型 GTR 为 PNP 型 图 2 2 IGBT 的简化等效电路与 IGBT 的图形符号 a 等效电路 b 图形符号 IGBT 的开通和关断是由门极电压来控制的 门极施以正电压时 MOSFET 内形成 沟道 并以 PNP 晶体管提供基极电流 从而使 IGBT 导通 在门极上施以负电压时 MOSFET 内的沟道消失 PNP 晶体管的基极电流被切断 IGBT 即为关断 当 VDS 为负时 J3 结处于反向偏置状态 类似于反偏二极管 器件呈反向阻断状 态 当 VDS 为正时 有两种可能 1 若门极电压小于开启电压 即 VG VT 则沟道不能形成 器件呈反向阻断 状态 2 若门极电压大于开启电压 即 VG VT 绝缘门极下面的沟道形成 N 区的 电子通过沟道进入 N 漂移区 漂移到 J3 结 此时 J3 结是正向偏置 也向 N 区 注入空穴 从而在 N 区产生电导调制 使器件正向导通 8 在器件导通之后 若将门极电压突然减至零 则沟道消失 通过沟道的电子电流为 零 使漏极电流有所突减 但由于 N 区注入了大量的电子 空穴对 因而使漏极电流不 会马上为零 因而出现一个拖尾时间 除上述 IGBT 的正常工作情况外 从结构图中可以看出 由于 IGBT 结构中寄生着 PNPN 四层结构 存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性 从而导致漏极 电流失控 进而引起器件产生破坏性失效 出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通 条件 a1 a2 1 IGBT 的锁定现象又分为静态锁定 动态锁定和栅分布锁定 静态锁 定就是 IGBT 在稳态电流导通时出现的锁定 此时漏极电压低 锁定发生在稳态电流密 度超过某一数值的时候 动态锁定发生在 开关过程中 在大电流 高电压的情况下 主要是因为在电流较大时引起 a1 和 a2 的增加 以及由于过大的 dv dt 引起的位移电流 造成的 栅分布锁定是由于绝缘栅的电容效应 造成在开关过程中个别先开通或后关断 的 IGBT 之中的电流密度过大而形成局部锁定 应当采取各种工艺措施提高 IGBT 的锁 定电流 克服由于锁定而产生失效 2 1 2 基本特性 1 静态特性 IGBT 是静态特性包括伏安特性 饱和电压特性 转移特性和静态开关特性 伏安特性表示器件的端电压与电流的关系 N IGBT 的伏安特性如图 2 3 所示 图 2 3 IGBT 伏安特性 9 由图可知 IGBT 的伏安特性与 GTR 基本相似 不同之处是 控制参数是由门极电压 而不是基极电流 伏安特性分饱和区 放大区 和击穿区 输出 GS V 电流由门源电压控制 门源电压越大 输出电流越大 GS V D I IGBT 的饱和电压特性如图 2 4 所示 由图可知 IGBT 的电流密度较大 通态电压 的温度系数在小电流的范围内为负 大电流的范围为正 其值大约为 1 4 倍 100 图 2 4 IGBT 饱和特性 转移特性曲线如图 2 5 所示 以 BSM150GB170DC 为例 与功率 MOSFET 的 转移特性相同 在大部分漏极电流范围内 与呈线形关系 只有当门源电压接近 D I GS V 开启电压时才呈非线形关系 此时漏极电流已相当小 当门源电压小于开启电压 T V GS V 时 IGBT 处于关断状态 如在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定 一 T V 般门源电压的最佳值可取 15V 左右 同时 在关断的时候 一般提供一个反压 防止 IGBT 误导通 反压一般设为 2 10V IGBT 的静态开关特性如图 2 6 所示 当门源电压大于开启电压时 且集电极和发 射机有一定的压降时 IGBT 即开通 与功率 MOSFET 相比 IGBT 通态压降要小的多 1000V 的 IGBT 在 25 C 集极电 压为 25A 时 约有 2 5V 的通态压降 同时 MOSFET 本来就不适合高频和高压电路 而 IGBT 却可以工作高压高频电路 而且 IGBT 在高电流和短路状态都不容意烧坏 使 10 电路更加安全 图 2 5 转移特性 图 2 6 开关特性 因为 IGBT 的构成基础是功率 MOSFET 通过门源电压可控制 IGBT 的状态 当 时 IGBT 处于阻断状态 只有很小的漏电流存在 外加电压由 J2 结承担 这种 GS V T V 阻断状态与功率 MOSFET 基本一致 可见 对称型 IGBT 具有正 反向阻断电压的能力 而非对称型 IGBT 几乎没有反向阻断的能力 图 2 7 为 EUPEC BSM150GB170DC 的输 出特性 11 图 2 7 IGBT 输出特性 2 动态特性 图 2 8 开通时 IGBT 的电流 电压波形 IGBT 的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面 IGBT 开通时的瞬态过程如图 2 8 所示 IGBT 在降压变换电路中运行时 其电流 电 压波形与功率 MOSFET 开通时的波形相似 图中 Td on 为开通延迟时间 Tri 为电流上 升时间 为门源电压 漏源电压的下降时间分为 tfv1 和 tfv2 两段 在的波形图 GS V GS V 中 从 Td on 开始到 Tri 结束阶段 门源电压指数规律增加 曲线在从 Tri 末尾至 GS t V tfv2 结束这段时间内 由于门源间流过驱动电流 门源之间呈现二极管正向特性 所以 VDS on Vd tri id td on VT VGG t t t VGS t iD t VDS t tfv1tfv2 12 维持不变 当 IGBT 完全导通后 驱动结束 VGS t 重又按指数规律最终达到 值 GS V GS V 在降压变换电路中运行时 IGBT 的关断电流电压波形如图 2 9 所示 图 2 9 关断时 IGBT 波形图 在实际应用中 用漏极电流的动态波形来确定 IGBT 的开关时间 漏极电流的开通 时间和上升时间分别用 Ton 和 Tr 表示 开通时间包括电流延迟时间和上升时间两部分 如图 2 8 中 Td on 和 Tri 所示 漏极电流的关断时间和下降时间分别用 Toff 和 Tf 表示 关断时间由存储时间和下降时间所组成 如图 2 9 所示 存储时间又包括 Td off 和 Trv 两部分 下降时间则由 tfi1 和 tfi2 组成 且其开关损耗如下图 t tfi1tfi2trv Td on VGG VT GTR 电流 t VGS t iD t VDS t Vd t MODFET 电流 13 图 2 10 IGBT 的开关损耗 由上图知 IGBT 的开通损耗受续流二极管反向恢复特性的支配 图 2 10 示出了 IGBT 开通损耗与电流 门极电阻的关系 以 BSM150GB170DC 为例 3 安全工作区 开通和关断时 IGBT 均具有较宽的安全工作区 14 IGBT 开通时为正向偏置 其安全工作区称为正向偏置安全工作区 简称 FBSOA 如图 2 11A 所示 FBSOA 与 IGBT 的导通时间密切相关 道统时间很短时 FBSOA 为 矩形方块 随着导通时间的增加 安全工作区逐步减小 直流工作时安全工作区最小 这是因为导通时间越长 发热越严重 因而安全工作区越小 IGBT 关断时间为反向偏置 其安全工作区称为反向安全工作区 简称 RBSOA 如 图 2 11A 所示 RBSOA 与 FBSOA 稍有不同 RBSOA 随着 IGBT 关断时的重加 d dt DS V 而改变 电压上升率 d dt 越大 安全工作区越小 DS V 最大漏极电流使根据避免动态擎住而确定的 与此相应还确定了最大的门源电 DM I 压 只要不超过 外电路发生故障时 IGBT 将从饱和状态进入放大状态 最 GSM V GSM V 大允许漏源电压是由 IGBT 中 PNP 晶体管的击穿电压确定的 GSM V 2 2 门极驱动门极驱动 2 2 1 栅极驱动条件 IGBT 的门极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性 门极电路的正偏压 GSf V DC100 s 10 s 重加 dvds dt 3000V 2000V 1000V VDS0 ID VDSM VDS 0 IDM ID a b 图 2 11 IGBT 的安全工作区 a FBSOA b RBSOA 15 负偏压和门极电阻 Rg 的大小 对 IGBT 的通态电压 开关时间 开关损耗 承受短 GSr V 路能力以及 dV dt 电流等参数有不同程度的影响 门极驱动条件与器件特性的关系如表 2 12 所示 门极正电压 VGS 的变化对 IGBT 开通特性 负载短路能力和 dVDS dt 电流 有较大的影响 而门极负偏压则对关断特性的影响较大 在门极驱动电路的设计中 必 须注意开通特性 负载短路能力和由 dVD dt 电流引起的误触发等问题 如表 2 12 列出 了门极驱动条件与器件特性的关系 表 2 1 门极驱动条件与起特性的关系 特 性Vds on ON T ON E OFF T OFF E负载短路能力电流 d dt DS V VGS 增大 降低 降低 降低 增加 VGS 增大 略减小 减少 RG 增大 增加 增加 减少 根据表 2 12 对 IGBT 的驱动电路提出下列要求和条件 1 由于是容性输入阻抗 因此 IGBT 对门极电荷集聚很敏感 驱动电路必须很 可靠 要保证有一条低阻抗值的放电回路 2 用低内阻的驱动源对门极电容充放电 以保证门极控制电压 VGS 有足够陡峭 的前后沿 使 IGBT 的开关损耗尽量小 另外 IGBT 开通后 门极驱动电源应提 供足够功率使 IGBT 不致退饱和而损坏 3 门极电路中的正偏压应为 12V 15V 负偏压应为 2V 10V 4 IGBT 多用于高压场合 故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离 5 门极驱动电路应尽可能简单实用 具有对 IGBT 的在自保护功能 并具有较 大的抗干扰能力 6 若为大电感负载 IGBT 的关断时间不宜过短 以限制 di dt 所形成的尖峰电 压 保证 IGBT 的安全 2 2 2 IGBT 驱动电路 驱动电路一般有以下几种形式 1 分立元件驱动电路 16 由分立元件构成的插接式驱动电路 在 20 世纪 80 年代的由 IGBT 构成的设备上被 广泛使用 分立元件驱动电路的设计和应用主要受当时电子元器件技术水平和生产工艺 的制约 但随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现 这类分立元件插接式驱动电 路因结构复杂 集成化程度低 故障率高已逐渐被淘汰 2 光电耦合器驱动电路 由于光电耦合器构成的驱动电路具有线路简单 可靠性高 开关性能好等特点 在 IGBT 驱动电路设计中被广泛采用 由于驱动光电锅台器的型号很多 所以选用的余地 也很大 用于 IGBT 的光电耦合器驱动电路的驱动光电耦合器选用较多的主要有东芝的 TLP 系列 夏普的比系列 惠普的 HLPL 系列等 以东芝 TLP 系列光电锅台器为例 驱动 IGBT 模块的光电耦合器主要采用的是 TLP250 和 TLP251 两个型号 对于小电流 15A 左右 的模块 一般采用 TLP251 外围再辅以驱动电源和限流电阻等就构成了最简 单的驱动电路 而对于中等电流 50A 左右 的模块 一般采用 TLP250 型号的光电耦合 器 而对于更大电流的模块 在设计驱动电路时一般在光电锅合器驱动电路后面再增加 一级放大电路 以达到安全驱动 IGBT 模块的目的 光电耪合器的优点是体积小巧 缺 点是反应较慢 因而具有较大的延迟时间 高速型光电耦合器一般也大于 500ns 光电 锅台器的输出级需要隔离的辅助电源供电 3 厚膜驱动电路 厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路 它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线 将驱动电路的各元件集成在 一块陶瓷基片上 使之成为一个整体部件 使用厚膜驱动电路给设计布线带来了很大的 方便 可提高整机的可靠性和批量生产的一致性 同时也加强了技术的保密性 现在的 厚膜驱动电路集成了很多保护电路和检测电路 4 专用集成驱动电路 目前已开发和应用的专用集成驱动电路主要有 IR 公司的识 2111 IR2112 IR2113 等 其他还有三菱公司的 EXB 系列厚膜驱动电路等 此外 现在的一些欧美厂商在 IGBT 驱动电路设计上采用了高频隔离变压器 如丹佛 斯 VLT 系列变频电源 通过高频变压器对驱动电路的电源及信号的隔离 增强了驱动 电路的可靠性 同时也有效地防止了主电路出现故障时对控制电路的损坏 在实际应用 中这种驱动电路的故障率很低 大功率模块也极少出现问题 17 2 3 光耦电路及其原理光耦电路及其原理 耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器 简称光耦 是开关电 源电路中常用的器件 耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离作用 所以 它在各种电路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广的光电器件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动发光 二极管 LED 使之发出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电流 再经过进一 步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由 于光耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电绝 缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件 因而具有 很强的共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪 比 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件 可以大大增加计算机工 作的可靠性 光耦合器的主要优点是 信号单向传输 输入端与输出端完全实现了电气隔离 输 出信号对输入端无影响 抗干扰能力强 工作稳定 无触点 使用寿命长 传输效率高 光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件 现已广泛用于电气绝缘 电平转换 级间耦 合 驱动电路 开关电路 斩波器 多谐振荡器 信号隔离 级间隔离 脉冲放大电 路 数字仪表 远距离信号传输 脉冲放大 固态继电器 SSR 仪器仪表 通信设备 及微机接口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节 控制端电流来改变占空比 达到精密稳压目的 光电耦合器分为两种 一种为非线性光耦 另一种为线性光耦 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的 这类光耦适合于开关信号的传输 不 适合于传输模拟量 常用的 4N 系列光耦属于非线性光耦 线性光耦的电流传输特性曲线接近直线 并且小信号时性能较好 能以线性特性进 行隔离控制 常用的线性光耦是 PC817A C 系列 由于光耦种类繁多 结构独特 优点突出 因而其应用十分广泛 主要应用场合 1 在逻辑电路上的应用 光电耦合器可以构成各种逻辑电路 由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶 体管好 因此 由它构成的逻辑电路更可靠 VGG 18 2 作为固体开关应用 在开关电路中 往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离 对于一般的电子 开关来说是很难做到的 但用光电耦合器却很容易实现 3 在触发电路上的应用 将光电耦合器用于双稳态输出电路 由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回 路 可有效地解决输出与负载隔离地问题 4 在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电路 可以将脉冲信号进行放大 5 在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性电路中 具有较高地线性度以及优良地电隔离性能 6 特殊场合的应用 光电耦合器还可应用于高压控制 取代变压器 代替触点继电器以及用于 A D 电路等多种场合 19 第第 3 章章 IGBT 保护电路设计保护电路设计 3 1 IGBT 过压保护电路过压保护电路 3 1 1 IGBT 栅极过压保护电路 IGBT 的栅极一发射极驱动电压的保证值为 20v 如果在它的栅极与发射极之 CE U 间加上超出保证值的电压 则可能会损坏 IGBT 因此 在 IGBT 的驱动电路中流当设 置 栅压限幅电路 另外 若 IGBT 的栅极与发射极间开路 而在其集电极与发射极之间加 上电压 则随着集电极电位的变化 由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在 栅极电位升高 集电极 发射极有电流流过 这时若集电极和发射极间处于高压状态 可能会使 IGBT 发热甚至损坏 如果设备在运输或震动过程中使得栅极回路断开 在不 经检查的情况下就给主电路加上电压 则 IGBT 就可能会损坏 IGBT 的栅极出现过电 压的原因有以下两个 静电聚积在栅极电容上引起过压 电容密勒效应引起的栅极过压 为防止 IGBT 的栅极一发射极过电压情况发生 应在 IGBT 的栅极与发射极间并接一只几十千欧的电 阻 此电阻应尽量靠近栅极与发射极 如图 3 l 所示 图 3 1 栅极过压保护 3 1 2 集电极与发射极间的过压保护电路 IGBT 的栅极一发射极过电压的产生主要有两种情况 一种是施加到 IGBT 的集电 极一发射极间的直流电压过高 另一种为集电极一发射极间的浪涌电压过高 对于 IGBT 的关断过电压和续流二极管的反向恢复过电压 并并接一个小电容 设 计缓冲电路是抑制集电极一发射极问过电压的有效措施 缓冲电路之所以能减小 IGBT 集电极一发射极间的过电压 是因为它给回路电感提供了泄能回路 降低了回路电感上 20 电流的变化率 如图 3 2 所示 G 1 Q1 IGBT D8 DIODE C9 330pf 图 3 2 集电极与发射极间的过压保护电路 3 1 3 直流过电压 直流过压产生的原出是输入交流电源或 IGBT 的前一级输入发生异常 解决的办法 是在选取 IGBT 时进行降额设计 另外也可在检测出这一过电压时关断 IGBT 的输入 保证 IGBT 的安全 3 1 4 浪涌过电压 因电路中分布电感的存在 加之 IGBT 的开关速度较高 当 IGBT 关断时及与之并 接的反向恢复二极管逆向恢复时 就会产生很大的浪涌电压 Ldi dt 威胁 IGBT 的安全 如果超出 IGBT 的集电极 发射极间耐压值 就可能损坏 IGBT 抑制 cesp U CES U 浪涌电压的方法主要有 在选取 IGBT 时考虑设计裕量 在电路设计时调整 IGBT 驱动电路的栅极电阻 使 di dt 尽可能小 G R 尽量将电解电容靠近 IGBT 安装 以减小分布电感 根据情况加装缓冲保护电路 旁路高频浪涌电压 3 1 5 IGBT 开关过程中的过电压 IGBT 关断时 集电极电流的下降率较高 尤其是在短路故障的情况下 如不采 取软关断措施 它的临界电流下降率将达到数干安每微秒 极高的电流下降率将会在主 电路的分布电感上感应出较高的过电压 导致 IGBT 关断时使其电流 电压的运行轨迹 超出它的安全工作区而损坏 所以从关断的角度考虑 希望主电路的电感和电流下降率 21 越小越好 但对于 IGBT 的开通来说 集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向 恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流 能减小开通损耗 承受较高的开通电流上升 串 一般情况下 IGBT 开关电路的集电极不需要串联电感 其开通损耗可以通过改善 栅极驱动条件来加以控制 缓冲保护电路对 IGBT 的安全工作起着很重要的作用 通常 采用的缓冲保护电路有以下几种类型 C 缓冲电路 RC 缓冲电路 RCVD 缓冲电路 放电阻止型缓冲电路 3 2 IGBT 过流短路保护电路过流短路保护电路 图 3 3 RCVD 缓冲电路 3 2 1 IGBT 过流保护的分类 IGBT 的过流保护电路可分为两类 一类是低倍数 1 2 1 5 倍 的过载保护 另一 类是高倍数 可达 8 10 倍 的短路保护 1 过载保护 原则上 IGBT 在过流时的开关和通态特性与其在额定条件下运行时的特性相比并没 有 什么不同 由于较大的负载电流会引起 IGBT 内较高的损耗 所以 为了避免超过最大 的允许结温 IGBT 的过载范围应该受到限制 不仅仅是过载时结温的绝对值 而且连 过载时的温度变化范围都是限制性因素 对于过载保护不必快速响应 可采用集中式保 护 即检测输入端或直流环节的总电流 当此电流超过设定值后比较器翻转 封锁所有 IGBT 驱动器的输入脉冲 使输出电流降为零 这种过载电流保护一旦动作后 要通过 复位才能恢复正常工作 2 短路保护 IGBT 能承受短路电流的时间很短 能承受短路电流的时间与该 IGBT 的导通饱和 压降有关 随着饱和导通压降的增加而延长 如饱和压降小于 2V 的 IGBT 允许承受的 短路时间小于 5us 而饱和压降为 3V 的 IGBT 允许承受的短路时间可达 15us 4 5V 时可达 30us 以上 存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低 IGBT 的阻抗也降低 短路电流同时增大 短路时的功耗随着电流的平方增大 造成承受短路的时间迅速缩短 22 原则上 IGBT 都是安全短路器件 也就是说 它们在一定的外部条件下可以承受 短路电流 然后较关断 而器件不会产生损坏 3 2 2 过流保护检测电路 过流检测电路主要有三种 如下 1 用电阻或电流互感器构成的检测过流电路 2 检测 IGBT 的电压的过流检测电路 satCE U 因 当增大时 也随之增大 若栅极电压为高电平 而 CE satCCE sat UI R C I satCE U 较高 则此时就有过流情况发生 与门输出高电平 将过流信号输出 控制单元断开 CE U IGBT 的输入 达到保护 IGBT 的目的 3 检测负载电流的电路 3 2 3 过流和短路保护措施 IGBT 能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小 一般仅为几微 秒至几十微秒 短路电流过大不仅使短路承受时间缩短 而且使关断时电流下降率 dj dt 过大 由于漏感及引线电感的存在 将导致 IGBT 集电极过电压 该过电压可在 器件内部产生锁定效应 使 IGBT 锁定失效 同时高的过电压会使 IGBT 击穿 因此 当出现短路过流时 必须采取有效的保护措施 为了实现 IGBT 的短路保护 则必须进行过流检测 适用 IGBT 过流检测的方法 通常是采用霍尔电流传感器直接检测 IGBT 的电流 然后与设定的阈值比较 用比较 C I 器的输出去控制驱动信号的关断 或者采用间接电压法 检测过流时 IGBT 的电压降 因为管压降中含有短路电流信息 过流时增大且基本上为线性关系 检测过 CE U CE U 流时的并与设定的阈值进行比较 比较器的输出控制驱动电路的关断 CE U 在短路电流出现时 为了避免关断电流的 di dt 过大形成过电压 导致 IGBT 锁定 无效和损坏 以及为了降低电磁干扰 通常采用软降栅压和软关断综合保护技术 在检 测到过电流信号后首先是进入降栅保护程序 以降低故障电流的幅值 延长 IGBT 的短 23 路承受时间 在降栅压动作后 设定一个固定延迟时间 用以判断故障电流的真实性 如在延迟 时间内故障消失 则栅压自动恢复 如故障仍然存在 则进入软关断程序 使栅压降至 0V 以下 关断 IGBT 的驱动信号 由于在降栅压阶段集电极电流已减小 故软关断时 不会出现过大的短路电流下降率和过高的过电压 采用软降栅压及软关断栅极驱动保护 使故障电流的幅值和下降率都能受到限制 过电压降低 IGBT 的电流 电压运行轨迹 能保证在安全区内 在设计降栅压保护电路时 要正确选择降栅压幅度和速度 如果降畅压幅度大 比 如 7 5V 降栅压速度不要太快 一般可采用 2us 下降时间的软降栅压 由于降栅压幅 度大 集电极电流已经较小 在故障状态封锁栅极可快些 不必采用软关断 如果降栅 压幅度较小 比如 5V 以下 降栅速度可快些 而封锁栅压的速度必须慢 即采用软关 断 以避免过电压发生 3 2 4 典型过流保护电路 1 集中过电流保护 所谓集中过电流保护 就是检测逆变桥输入直流母线上的电流 当该电流值超过设 定的阈值时 封锁所有桥臂 IGBT 的驱动信号 图 3 4 为集中过电流保护的原理图 电 流检测点故在直流侧 检测元件采用日木 HINODE 公司的直测式霍尔效应电流传感器 HAP8 200 4 用以检测宣流侧电压的瞬时值 HAF8 200 4 需要 15v 的供电电源 额 定电流为 200A 饱和电流在 450A 以上 额定输出电压为 4V di dt 响应时间在 10us 以下 在正常情况下 集中过电流保护电路的输出 OC 为高电平 一旦直流母线电 流超过设定的阈值 比较器 LM3ll 的输出状态将由高电平变为低电平 经过 R2 C2 的 延迟 OC 将由高电平变为低电平 这个低电平信号特使封锁电路动作 封锁逆变桥所 有 IGBT 的驱动信号 R2 C2 组成的延迟电路时为防止封锁电路误动作而采取的抗干 扰措施 24 图 3 4 集中过电流保护电路 2 分散过电流保护 分散过电流保护就是检测逆变桥各个桥臂 上的电流 当该电流超过设定的阈值时 封锁 该桥臂 IGBT 的驱动信号 图 3 5 为分散过 电流保护的原理图 当栅极驱动电压不变时 IGBT 的饱和压降将随着集电极电流 satCE U C I 的增大而增大 通过查阅三菱 1200V IGBT 的 产品手册可知 与的关系可内如下经 satCE U C I 验公式表示出来 图 3 5 分散过电流保护电路 3 1 0 2 5 1 0 75 CE sat ced I U I 式中 为 IGBT 的额定电流 15V 25 ced I CE U J T 通过检测 就可