几种用于IGBT驱动的集成芯片

1、几种用于IGBT驱动的集成芯片2. 1 TLP250 （ TOSHIBA 公司 生产）在一般较低性能的三相电压源逆变器中，各种 与电流相关的性能控制，通过检测直流母线上流入 逆变桥的直流电流即可，如变频器中的自动转矩补 偿.转差率补偿等.同时,这一检测结果也可以用来 完成对逆变单元中IGBT实现过流保护等功能.因此在 这种逆变器中，对IGBT驱动电路的要求相对比较简 单，成本也比较低.这种类型的驱动芯片主要有东芝 公司生产的TLP250,夏普公司生产的PC923等等.这里主 要针对TLP250做一介绍.TLP250包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成 光探测器，8脚双列封装结构.适合于I

2、GBT或电力 MOSFET栅极驱动电路.图2为TLP250的内部结构简图，表 1给出了其工作时的真值表.TLP250的典型特征如下：1）输入阈值电流（IF）: 5 mA （最大）；2）电源电流（ICC）: 11 mA （最大）；3）电源电压（VCC） : 1035 V;4）输出电流（IO） : 土 0.5 A （最小）；5）开关时光（tPLH /tPHL） : 0.5 口 s （最大）；6）隔离电压：2500 Vpms （最小）.表2给出了 TLP250的开关特征，表3给出了 TLP250的推举工作前提. 注：使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1 u F的陶瓷电容来稳定高增益线性放

3、大器的工作，提 供的旁路作用掉效会损坏开关性能，电容和光耦之 间的引线长度不应超过1 cm.图3和图4给出了 TLP250的两种典型的应用电路.在图4中，TR1和TR2的选取与用于IGBT驱动的栅极 电阻有直接的关系，例如，电源电压为24V时,TR1和TR2的 IcmaxN 24/Rg.图 5 给出 了 TLP250 驱 动 IGBT 时，1 200 V/200 A 的 IGBT 上 电流的试验波形(50 A/10 u s).可以看出，因为TLP250不具 备过流呵护功效，当IGBT过流时，经由过程掌握旌旗灯号关 断IGBT， IGBT中电流的下降很陡，且有一个反向的冲击.这将 会产生很大的d

4、i/dt和开关损耗，而且对控制电路的 过流保护功能要求很高.TLP250使用特点：TLP250输出电流较小，对较大功率IGBT实施驱 动时，需要外加功率放大电路.由于流过IGBT的电流是通过其它电路检测来 完成的，而且仅仅检测流过IGBT的电流，这就有可能 对于IGBT的使用效率产生一定的影响，比如IGBT在安 全工作区时，有时出现的提前保护等.3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到IGBT可靠关断应在10 口 s以内完成.4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断 信号，对IGBT的栅极施加一负电压，使IGBT硬关断.这 种主电路的dv/dt比正常开关

5、状态下大了许多，造成 了施加于IGBT两端的电压升高很多，有时就可能造成 IGBT的击穿.2.2 EXB8.Series（ FUJI ELECTRIC 公司临盆）跟着有些电气装备对三相逆变器输出机能请求的进步及逆变器本身 的原因，在现有的很多逆变器中，把逆变单元IGBT的驱动与呵护和主电 路 电流的检测分别由不同的电路来完成.这种驱动方 式既提高了逆变器的性能，又提高了 IGBT的工作效 率，使IGBT更好地在安全工作区工作.这类芯片有富 士公司的EXB8.Series.夏普公司的PC929等.在这里，我 们主要针对EXB8.Series做一介绍.EXB8.Series集成芯片是一种专用于IG

6、BT的集驱动. 保护等功能于一体的复合集成电路.广泛用于逆变 器和电机驱动用变频器.伺服电机驱动.UPS.感应加 热和电焊设备等工业领域.具有以下的特点：1）不同的系列（标准系列可用于达到10 kHz开 关频率工作的IGBT，高速系列可用于达到40 kHz开关频率工作的IGBT）2）内置的光耦可隔离高达2 500 V/min的电压.3）单电源的供电电压使其应用起来更为方便.4）内置的过流保护功能使得IGBT能够更加安然 地工作.5）具有过流检测输出信号.6）单列直插式封装使得其具有高密度的安装 方式.常用的EXB8.Series主要有：标准系列的EXB850和 EXB851,高速系列的EXB8

7、40和EXB841.其主要应用场合如 表4所示.注：1）标准系列：驱动电路中的信号延迟W 4 u s2）高速系列：驱动电路中的信号延迟W 1.5 u s图6给出了 EXB8.Series的功能方框图.表5给出了 EXB8.Series的电气特性.表6给出了 EXB8.Series工作时的推举工作前提.表6 EXB8.Series工作时的推举工作条 件图7给出了 EXB8.Series的典范运用电路.EXB8.Series运用不合的型号，可以达到驱动电流高 达400 A,电 压高达1200 V的各类型号的IGBT.因为驱动电路的旌旗灯号延迟时光分为 两种：尺度型（EXB850.EXB851）W

8、4us,高速型（EXB840. EXB841） W1 u s,所以标准型的IC实用于频率高达10 kHz的开关操作， 而高速型的IC适用于频率高达40 kHz的开关操作.在应 用电路的设计中，应留意以下几个方面的问题：IGBT栅射极驱动电路接线必须小于1 m;IGBT栅射极驱动电路接线应为双绞线；如想在IGB集电极产生大的电压尖脉冲，那么增长IGBT栅极 串联电阻(Rg)即可；应用电路中的电容C1和C2取值相同，对于 EXB850和EXB840来说，取值为33 u F,对于EXB851和EXB841来 说，取值为47 u F.该电容用来吸收由电源接线阻抗 而引起的供电电压变化.它不是电源滤波器

9、电容.EXB8.Series的使用特点：EXB8.Series的驱动芯片是通过检测IGBT在导通 过程中的饱和压降Uce来实施对IGBT的过电流保护的. 对于IGBT的过电流处理完全由驱动芯片自身完成，对 于电机驱动用的三相逆变器实现无跳闸控制有较大 的帮助.EXB8.Series的驱动芯片对IGBT过电流保护的处 理采用了软关断方式，因此主电路的dv/dt比硬关断 时小了许多，这对IGBT的使用较为有利，是值得重视 的一个优点.EXB8.Series驱动芯片内集成了功率放大电路， 这在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力.4）EXB8.Series的驱动芯片最大只能驱动1 200V /300

10、 A的IGBT,并且它本身并不提倡外加功率放大电 路，另外，从图7中可以看出，该类芯片为单电源供 电，IGBT的关断负电压信号是由芯片内部产生的一5 V 信号，容易受到外部的干扰.因此对于300 A以上的 IGBT或者IGBT并联时，就需要考虑别的驱动芯片，比如 三菱公司的M57962L等.图8给出了 EXB841驱动IGBT时，过电流情况下的实 验波形.可以看出，正如前面介绍过的，由于 EXB8.Series芯片内部具备过流保护功能，当IGBT过流 时，采用了软关断方式关断IGBT，所以IGBT中电流是一 个较缓的斜坡下降，这样一来，IGBT关断时的di/dt明 显减少，这在一定程度上减小了

11、对控制电路的过流 保护性能的要求.2. 3 M579.Series （ MITSUBISHI 公司生产）M579.Series是日本三菱公司为IGBT驱动提供的一 种IC系列，表7给出了这种系列的几种芯片的基本应 用特性（其中有大者为芯片内部含有Booster电路）.在M579.Series中，以M57962L为例做出一般的解释. 随着逆变器功率的增大和结构的复杂，驱动信号的 抗干扰能力显得尤为重要，比较有效的办法就是提 高驱动信号关断IGBT时的负电压，M57962L的负电源是 外加的（这点和EXB8.Series不同），所以实现起来比 较方便.它的功能框图和图6所示的EXB8.Series

12、功能框 图极为类似，在此不再赘述.图9给出了 M57962L在驱动 大功率IGBT模块时的典型电路图.在这种电路中，NPN 和PNP构成的电压提升电路选用快速晶体管（tfW 200 ns）,并且要有足够的电流增益以承载需要的电流.在使用M57962L驱动大功率IGBT模块时,应注意以 下三个方面的问题：1）驱动芯片的最大输出电流峰值受栅极电阻 Rg的最小值限制，例如，对于M57962L来说，Rg的允许值 在5 Q左右，这个值对于大功率的IGBT来说高了 一些， 且当Rg较高时，会引起IGBT的开关上升时间td（on）.下 降时间td（off）以及开关损耗的增大，在较高开关频率（5 kHz以上）

13、应用时，这些附加损耗是不可接受的.2）即便是这些附加损耗和较慢的开关时间可 以被接受，驱动电路的功耗也必须考虑，当开关频率 高到一定程度时（高于14 kHz），会引起驱动芯片过 热.3）驱动电路缓慢的关断会使大功率IGBT模块的 开关效率降低，这是因为大功率IGBT模块的栅极寄生 电容相对比较大，而驱动电路的输出阻抗不够低.还 有，驱动电路缓慢的关断还会使大功率IGBT模块需要 较大的吸收电容.以上这三种限制可能会产生严重的后果，但通 过附加的Booster电路都可以加以克服，如图9所示.从图10( a)可以看出，在IGBT过流信号输出以后， 门极电压会以一个缓慢的斜率下降.图10 ( b)及

14、图 10 ( c)给出了 IGBT短路时的软关断过程(集电极一 发射极之间的电压uCE和集电极电流iC的软关断波 形)0引言跟着电力电子技巧朝着大功率.高频化.模块化成长，绝缘栅双极品体管 (IGBT)已广泛运用于开关电源.变频器.电机掌握以及请求快速.低损耗的范 畴中.IGBT是复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET和GTR的长 处：输入阻抗高，驱动功率小，通态压降小，工作频率高和动态响应快.今朝， 市场上5003000V，8001800A的IGBT，因其耐高压.功率大的特征，已成为 大功率开关电源等电力电子装配的首选功率器件.1驱动呵护电路的原则因为是电压掌握型器件,是以只要掌

15、握ICBT的栅极电压就可以使其开通 或关断，并且开通时保持比较低的通态压降.研讨标明，IGBT的安然工作区和 开关特征随驱动电路的转变而变更.是以，为了包管IGBT靠得住工作,驱动呵 护电路至关重要.IGBT驱动呵护电路的原则如下.动态驱动才能强,能为栅极供给具有峻峭前后沿的驱动脉冲；开通时能供给适合的正向栅极电压(1215V)，关断时可以供给足够的 反向关断栅极电压(一 5V);尽可能少的输入输出延迟时光，以进步工作效力；足够高的输入输出电气隔离特征，使旌旗灯号电路与栅极驱动电路 绝缘;消失短路.过流的情形下，具有敏锐的呵护才能.今朝,在现实运用中，广泛运用驱动与呵护功效合为一体的IGBT专

16、用的 驱动模块.2 集成驱动模块为懂得决IGBT的靠得住驱动问题，世界上各厂家兀发出了浩瀚的IGBT 集成驱动模块.如日本富士公司的EXB系列，三菱电机公司的M57系列，三社 电机公司的GH系列，美国国际整流器公司的TR系列,Unitrode公司的UC37 系列以及国产的HL系列.以下是几种典范的集成驱动模块.2.1 EXB841模块 的剖析EX841高速驱动模块为15脚单列直插式构造，采取高隔离电压光耦合器 作为旌旗灯号隔离，内部构造图如图l所示，其工作频率可达40 kHz,可以驱 动400 M600 V以内及300 A/1200 V的IGBT管，其隔离电压可达 2500AC/min,工作电

17、源为自力电源201V，内部含有一 5V稳压电路,为ICBT 的栅极供给+15V的驱动电压,关断时供给一 5V的偏置电压，使其靠得住关断. 当脚15和脚14有10 mA电流畅过时，脚3输出高电平而使IGBT在1us内 导通;而当脚15和脚14无电流畅过时，脚3输出低电平使IGBT关断;若 ICBT导通时因推却短路电流而退出饱和,Vce敏捷上升，脚6悬空，脚3电位 在短路后约3. 5us后才开端软降.EXB841典范运用图如图2所示，电容C1.C2用于接收高频噪音.当脚3 输出脉冲的同时,经由过程快速二极管D1检测IGBT的CE间的电压.当 Vce7V时,过流呵护电流掌握运算放大器，使其输出软关断

18、旌旗灯号，在10u s内将脚3输出电平降为O.因EXB841无过流自锁功效,所以外加过流呵护电 路，一旦产生过流,可经由过程外接光耦TLP521将过流呵护旌旗灯号输出，经 由必定延时，以防止误动作和包管进行软关断，然后由触发器锁定，实现呵护.缺点：EXB841过流呵护阀值过高,Vce7V时动作，此时已弘远于饱和压 降;消失呵护肓区;在实现止常关断时仅能供给一 5V偏压，在开关频率较高. 负载过大时,关断就显得不成靠;无过流呵护自锁功效,在短路呵护时其栅压 的软关断进程被输入的关断旌旗灯号所打断.2.2 M57962L模块的剖析M57962AL是一种14脚单列直捕式构造的厚膜驱动模块，其内部构造

19、图 如图3所示.它由光耦合器.接口电路.检测电路.准时复位电路以及门关断电 路构成，驱动功率大，町以驱动600A/600V及400A/1200V等系列IGBT模块.M5796AL具有高速的输入输出隔离，绝缘电压也可达到AC 2500V/min;输 入电平与TTL电平兼容，适于单片机掌握；内部有准时逻辑短路呵护电路，同 时具有延时呵护特征;采取双电源供电方法,相对于EXB841来说，固然多运用 一个电源.但IGBT可以更靠得住地通断.典范运用图如图4所示.当驱动旌旗灯号经由过程脚14和脚13时,经由 高速光耦隔离，由M57962AL内置接口电路传输至功率放大极，在M57962AL的 脚5产生+1

20、5V开栅和一 10V关栅电压，驱动IGBT通断.当脚1检测到电压为 7V时,模块认定电路短路，立刻经由过程光耦输出关断旌旗灯号，使脚5输出 低电平,从而将IGBT的GE两头置于负向偏置,靠得住关断.同时，输出误差 旌旗灯号使故障输出端（脚8）为低电平，从而驱动外接的呵护电路工作.延时 23s后，若检测到脚13为高电平，则M57962AL恢复工作.稳压管DZ1用于 防止D1击穿而破坏M57962AL,Rg为限流电阻,DZ2和DZ3起限幅感化，以确 保靠得住通断.比较：与EXB841比拟,M57962AL须要双电源(+15V, 1OV)供电，外周电 路庞杂.而恰是因为M57962AL可输出一 10

21、V的偏压，使得IGBT靠得住地关断; 别的,M57962AL具有过流呵护主动闭锁功效，并且软关断时光可外部调节，而 EXB841的软关断时光无法调节.所以M57962AL较EXB841更安然.靠得 住.2.3 HL402模块的剖析HL402是17脚单列直插式构造，内置有静电屏障层的高速光耦合器实现 旌旗灯号隔离，抗干扰才能强，响应速度快，隔离电压高.它具有对IGBT进行 降栅压.软关断双重呵护功效,在软关断及降栅压的同时能输出报警旌旗灯号, 实现封锁脉冲或分断主回路的呵护.它输出驱动电压幅值高，正向驱动电压可 达1517V,负向偏置电压可达1012V,因而可用来直接驱动容量为 400A/600

22、V 及 300A/1200V 以下的 IGBT.HL402构造图如图5所示.图5中,VL1为带静电屏障的光耦合器,它用来 实现与输入旌旗灯号的隔离.因为它具有静电屏障，因而明显进步了 HL402抗 共模干扰的才能.图5中U1为脉冲放大器,S1.S2实现驱动脉冲功率放大,U2 为降栅压比较器，正常情形下因为脚9输入的IGBT集电极电压VCE不高于 U2的基准电压VREF,U2不翻转,S3不导通，故从脚17和脚16输入的驱动脉 冲旌旗灯号经S2整形后不被封锁.该驱动脉冲经S2.S2放大后供给应IGBT 使其导通或关断，一旦IGBT退饱和，则脚9输入集电极电压给IGBT使其导通 或关断，并且脚9输入

23、的集电极电压采样旌旗灯号VCE高于U2的基准电压 VREF,比较器U2翻转输出高电平，使S3导通，由稳压管DZ2将驱动器输出的 栅极电压VGE下降到10V.此时,软关断准时器U3在降栅压比较器U2翻传达 到设定的时光后,输出正电压使S4导通，将栅极电压软关断降到IGBT的栅射 极门限电压，给IGBT供给一个负的驱动电压，包管IGBT靠得住关断.HL402典范运用图如图6所示.在现实电路中,C1.C2.C3.C4需尽可能地 接近H1402的脚2.脚1.脚4装配.为了防止高频耦合及电磁干扰，由HL402 输出到被驱动IGBT栅射极的引线须要采取双绞线或同轴电缆屏障线,其引线 长度不超出1m.脚9和

24、脚13接至IGBT集电极的引线必须离开走，不得与栅 极和发射极引线绞合，以免引起交叉干扰.光耦合器L1可输入脉冲封锁旌旗 灯号，当L1导通时,HLA02输出脉冲立刻被封锁至-10V.光耦合器L2供给软 关断报警旌旗灯号，它在躯动器软关断的同时导通光耦合器L3,供给降栅压 报警旌旗灯号.运用中,经由过程调剂电容器C5.C6.C7的值，可以将呵护波形 中的降栅压延迟时光.降栅压时光.软关断斜率时光调剂至适合的值.在高频 运用时，为了防止IGBT受到多次过电流冲击，可在光耦合器L2输出数次或1 次报警旌旗灯号后，将输入脚16和脚17间的旌旗灯号封锁.小结：以上三者中,M57962AL和HL402都采

25、取陶瓷基片黑色包 装,EXB841采取覆铜板黄色包装，因为陶瓷基片的散热机能和频率特征比覆 铜板好,HL402的负载才能和散热机能最好，加之合理的计划设计，在三者中 的工作频率最高，呵护功效最全,而EXB841和M57962AL都没有降栅压呵护功 效.别的,HL402和M57962AL供给负偏压的稳压管，放于外部,既有灵巧性又 进步了靠得住性，而EXB841的稳压管在内部,经常因稳压管的破坏而掉效.是 以,HL402凭借其优胜的机能可以填补别的两者的缺点.2. 4 GH-039模块的 剖析GH-039采取单列直插式12脚封装，功耗低.工作中发烧很小,可以高密 度运用它采取单电源工作，内置高速光

26、耦合器，带有软关断过流呵护电路，过 流呵护除闭锁自身输出外，还给出供用户运用的同步输出端.它可以用来直接 驱动300A/600V以下的IGBT模块.其内部构造图如图7所示,工作道理与EXB和M57系列模块相相似，这里 不再赘述.而与EXB系列和M57系列的模块不合的是该模块已含有呵护后发 送报警或动作旌旗灯号的光耦合器，所以运用中不须要像EXB和M57系列的 模块外接光耦合器,因而加倍便利，其机能比EXB和M57系列的模块在呵护机 能上加倍优胜;在靠得住性方面，因为GH-039是单电源供电，不克不及供给负 偏压，从而导致ICBT不克不及靠得住地关断.与HL402比拟,CH-039呵护功 效还不完美,它也同EXB841和M57962AL 一样无降栅压呵护.是以,GH-039驱 动模块也是出缺点的.ffl 7 GH-039结构图GH-039典范接线图如图8所示.工作电源VCC为26V;为了保持电压稳固, 滤波电容器应尽可能接近GH 一 039模块装配和运用，且其电容值不克不及小于10UF,并应选用高质量的电容；串入GH-039脚12与ICBT集电极之间的 二极管D1,应选超快速恢复二极管，并且要包管其反向耐压不低于ICBT的集 电极与栅极之间的