单电源驱动技术在igb关断开关管上的应用

单电源驱动技术在igb关断开关管上的应用

igdt是一种典型的集成电源产品，不仅具有输出mos50的高速开关和电压驱动功能，还具有输出二元非晶态的低饱和压力降性能和能力。它能承受小的电流，并且需要的输出功率低，并且需要控制电路复杂，并且具有较大的安全操作区域和短路的能力。因此,在电力电子系统中,IGBT逐渐取代MOSFET及双极型晶体管而成为功率开关元件中的重要一员。IGBT的驱动保护技术直接关系到系统长期运行的稳定和安全,理想的驱动电路不但要提供IGBT所需的驱动功率,而且要控制开关损耗,同时在异常工作状态下具有保护IGBT的能力。驱动电路设计中几种常用的方式各有其特点,但均需正负电源供电,目的是使用负偏置栅电压来可靠地关断和封锁功率开关,对于采用全桥控制的无刷电机控制器,需要设计4路相互隔离正负驱动电源,这就带来设计调试复杂化、成本增加因而产品竞争力降低的问题。基于此,我们在低功率、小电流应用场合的无刷电机控制器产品设计中,采用单电源驱动技术,针对单电源驱动存在0V时无法可靠关断的问题,做了具体分析,并采取了相应的解决措施。1专用驱动模块常用的IGBT驱动方式包括以下几种:1)分立元件构成的驱动电路早期出现的IGBT驱动方式,结构复杂、故障率高,已逐渐被淘汰。2)光耦驱动电路光耦驱动电路具有线路简单、性能优越的特点,在电机控制器驱动设计中得到广泛应用。常用的驱动光耦有东芝的TLP系列,夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。3)专用驱动模块包括厚膜驱动电路和集成驱动模块。厚膜驱动电路将驱动部分的元器件集成到一片陶瓷基片上,同时具备驱动和保护功能,工作可靠稳定、使用灵活方便,在中、大功率的逆变器产品中应用广泛。集成驱动模块具有更高的集成度和丰富的功能,是一种集驱动、检测、保护甚至电源功能于一体的即用型IGBT门级驱动模块,它的应用提高了整机的可靠性,简化了IGBT的驱动设计,但价格较高,常用于高端场合,Concept公司的Scale系列即属此类。无论采用上述何种IGBT驱动方式,通常都要求正负电源双极性供电,原因在于IGBT不同于MOSFET,其输入电容较大,关断IGBT时,要施加负偏置栅电压,且其负偏电压要大于MOSFET,通常在-5~-10V范围内,其作用是尽快吸取IGBT器件分布电容内的存储电荷,缩短关断时间,提高IGBT的耐压和抗干扰能力。2igbt开关状态虽然正负双极性电源驱动被普遍采用,但单电源驱动使4路隔离驱动电源设计、调试简化,降低了产品成本,在大量的中小功率驱动应用中,具有明显的优势。IGBT的单电源驱动是指在驱动电路设计中只提供正电源,驱动信号为正电压时,开启IGBT;驱动信号为0V时,关断IGBT。但在实际工程应用中,由于器件分布参数的存在,使得单电源驱动存在0V时可能无法关断的问题,即当门极驱动切换至0V时欲使IGBT关断时,可能出现两种错误状态:由于米勒电容意外开启,由于杂散电感意外开启。以下具体分析此刻IGBT的开关状态。1)IGBT由于米勒电容意外开启在桥式电路中,当驱动信号开启IGBT下桥臂时,上桥臂二极管两端的电压将发生变化,表示为dvCEdt。而dvCEdt可以导致产生瞬时电流并给IGBT上桥臂的寄生电容充电。寄生电容CCG和CGE会对电压产生分压作用。图1表示出流过IGBT上桥臂米勒电容的电流流向。电流iCG流过米勒电容、门极串联电阻以及直流母线。当门极驱动电阻上的压降超过IGBT开启阈值电压时,会导致意外开启。而且芯片温度每升高1K,阈值电压便会有几mV的下降。IGBT上桥臂进行开关切换时,电流流过下桥臂米勒电容,同样可能导致下桥臂IGBT意外开启。2)IGBT由于杂散电感开启当关断负载电流时,IGBT发射极杂散电感将感应出电压,如图2所示。在IGBT-T2关断、IGBT-T1导通后,主电流不再流过续流二极管D2,而是流过其它桥壁的IGBT。二极管的反向恢复电流的变化产生了diC2/dt,这样在IGBT-T2的杂散电感LσE2两端产生感应电压,此电压导致T2发射极的电势变为负。如果diC/dt较大,产生的感应电压就会高于IGBT的阈值电压,T2将被意外开启。3通过改善单电源驱动模式，确保igdt可访问靠关断通过电路分析,驱动信号为0V时,IGBT存在意外开启的可能,为此,可以采取以下几种措施防止意外开启发生。3.1电阻rgon的影响IGBT开启过程中,电压变化率-dvCE/dt和电流变化率diC/dt的大小都受到门极驱动电阻RGon的影响,加大门极驱动电阻,会使电压变化率及电流变化率变小,IGBT开关速度变慢。减小RGoff阻值可以防止由于米勒电容引起的意外开启,而加大RGoff阻值可以防止由于杂散电感引起的意外开启,在实际工程应用中可以根据具体情况权衡考虑,确定合适的门极驱动电阻。3.2阻和关断电阻和关断在工程应用中,使用分离的开启电阻和关断电阻,可以实现较为理想的开关特性。选取RGoff<RGon,则可以防止由米勒电容导致的IGBT意外开启。3.3门极电压的压力虽然门极与发射极间附加电容CG会影响IGBT的开关切换过程,但该电容可以吸收米勒电容释放出来的额外的电荷。这时IGBT门极的总输入电容为CG||CGE,门极电压要达到开启阈值电压,就需要更多的电荷量。在某些工程应用场合,若IGBT模块内部门极电阻过小,为了防止振荡,则可以给电容串联一个附加电阻SR,根据经验附加电容和附加电阻的取值参考下面计算式:由于附加电容的存在,使得要求的驱动功率增加,同时依据RGon/off取值的不同,IGBT会有较大的开关损耗。3.4门极线网络地理位置防止IGBT意外开启的另外一种方法是将门极与发射极短路,可以通过在门极与发射极间附加晶体管来实现,如图5所示。在门极驱动信号切换到0V且经过一段延时时间后,晶体管T导通将门极与发射极短接。肖特基二极管D可以阻止电流从米勒电容流回至门极电阻。通过设计晶体管电路,在关断IGBT时短接门极与发射极,设计者以一种可控的方式阻止由米勒电容所产生的电流,从而保证了IGBT在驱动信号为0V时可靠关断。4全桥驱动开关的设计电源驱动在5.5kW无刷直流电机控制器设计中,选用了英飞凌公司的IGBT功率模块FP50R060KE3,其内部集成了全桥整流电路和逆变桥6只IGBT开关管,为了实现控制器整体的集成化,简化4路隔离驱动开关电源设计,我们采用了有源米勒钳位的单电源驱动方式,选用了TLP350作为驱动光藕(见图6)。总体来看,该设计方案驱动电路简单,由一个开关电源电路输出4路隔离驱动单电源,进行集中式供电,功率驱动部分结构紧凑,集成度高,体现了设计简单、工作可靠的设计理念。5可能意外开启的优缺点在小功率