1、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘三双极型功率管，是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT 是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET 的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET 具有 RDS(on)数值高的特征，IGBT 消除了现有功率MOSFET 的这些主要缺点。虽然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改进了 RDS(on
2、)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT 驱动器的原理图。IGBT 基本结构见图 1 中的纵剖面图及等效电路。 IGBT 硅片的结构与功率 MOSFET 的结构十分相似，主要差异是 IGBT 增加了 P+ 基片和一个 N+ 缓冲层 (NPT-非穿通-IGBT 技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图 1)，其中一个 MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的 P+和 N+ 区之间创建了一个 J1 结。 IGBT 是一种功率晶
3、体，运用此种晶体设计之 UPS 可有效提升产品效能，使电源品质好、效率高、热损耗少、噪音低、体积小与产品寿命长等多种优点。用于有源电力滤波器的 IGBT 驱动及保护研究l 前言绝缘栅场效应晶体管(IGBT)作为一种复合型器件，集成了MOSFET 的电压驱动和高开关频率及功率管低损耗、大功率的特点，在电机控制、开关电源、变流装置及许多要求快速、低损耗的领域中有着广泛的应用。本文对应用于有源电力滤波器的 IGBT 的特性及其专有 EXB84l 型驱动器的设计进行讨论，并提出一种具有完善保护功能的驱动电路。有源电力滤波器设计中应用 4 个 IGBT 作为开关，并用 4 个EXB84l 组成驱动电路，
4、其原理如图 l 所示。在实验中，根据补偿电流与指令电流的关系，用数字信号处理器(DSP)控制 PWM 引脚的高低电平，并由驱动电路控制 IGBT 的通断。驱动电路同时对过流故障进行监测，由 DSP 采取封锁控制信号、停机等处理。2 驱动电路的设计2.1 驱动电路电源驱动电路需要 4 路相互隔离的直流电源为 4 路 IGBT 驱动电路供电，用 220V/22V 变压器对 4 路交流电源分别整流，用电容器和78L24 型电压调整器稳压后输出 4 路 24V 直流电压，如图 2 所示。分页2.2 栅极电压IGBT 通常采用栅极电压驱动，它对栅极驱动电路有着特殊的要求。栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率
5、要足够大，导通时，前沿很陡的栅极电压 UGE 可以使 IGBT 快速导通，并减小导通损耗，关断时，其栅极驱动电路要给 IGBT 提供一个下降很陡的关断电压，并在栅极和发射极之间施加一个适当的反向负偏压，以便使 IGBT快速关断，并减小关断损耗。IGBT 导通后，栅极的驱动电压和电流要有足够的宽度，以保证 IGBT 在瞬时过载时未退出饱和区受到损坏。栅极驱动电压推荐值为 15 V摘要：对 IGBT 的特性及使用时的注意事项进行了探讨，提出了选择和安装过程中应该注意的方面。1 IGBT 模块简介IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的
6、缩写，IGBT 是由 MOSFET 和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为 MOSFET，输出极为 PNP 晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有 MOSFET 器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET 与功率晶体管之间，可正常工作于几十 kHz 频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT 的等效电路如图 1 所示。由图 1 可知，若在 IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则 MOSFET 导通，这样 PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶
7、体管导通；若 IGBT 的栅极和发射极之间电压为 0V，则 MOS 截止，切断 PNP 晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT 与 MOSFET 一样也是电压控制型器件，在它的栅极发射极间施加十几 V 的直流电压，只有在 uA 级的漏电流流过，基本上不消耗功率。图 1 IGBT 的等效电路2 IGBT 模块的选择IGBT 模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当 IGBT 模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用 IGBT 模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增
8、大，发热加剧，选用时应该降等使用。3 使用中的注意事项由于 IGBT 模块为 MOSFET 结构，IGBT 的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到2030V。因此因静电而导致栅极击穿是 IGBT 失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点：1 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 2 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 3 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感
9、和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。此外，在栅极发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使 IGBT 发热及至损坏。在使用 IGBT 的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时( 栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则 IGBT 就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只 10K 左右的电阻。在安装或更换 IGBT 模块时，应十分
10、重视 IGBT 模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT 模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致 IGBT 模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近 IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止 IGBT模块工作。4 保管时的注意事项1 一般保存 IGBT 模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为 535 ，常湿的规定在 4575左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿; 2 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合； 3 在温度发生急剧变化的场所
11、 IGBT 模块表面可能有结露水的现象，因此 IGBT 模块应放在温度变化较小的地方； 4 保管时，须注意不要在 IGBT 模块上堆放重物； 5 装 IGBT 模块的容器，应选用不带静电的容器。 5 结束语IGBT 模块由于具有多种优良的特性，使它得到了快速的发展和普及，已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉 IGBT 模块性能，了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。摘要：提出了一种直接检测发生短路故障的方法，在详细分析短路检测原理的基础上给出了相应的短路保护电路。仿真及实验结果均证明该电路工作稳定可靠，能很好地对实施有效的保护。关键词： 短路保护 电路设计固态电源的基本任务是安
12、全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言，电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件 开关频率高 广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当，它很容易损坏。一般认为损坏的主要原因有两种：一是退出饱和区而进入了放大区 使得开关损耗增大；二是发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使损坏。的保护通常采用快速自保护的办法 即当故障发生时，关断驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护；或者当发生短路时，快速地关断。根据监测对象的不同 的短路保护可分为监测法或监测法 二者原理基本相似 都是利用集电极电流升高时或也会
13、升高这一现象。当或超过 或 时，就自动关断的驱动电路。由于在发生故障时基本不变，而的变化较大 并且当退饱和发生时 变化也小 难以掌握 因而在实践中一般采用监测技术来对进行保护。本文研究的保护电路，是通过对导通时的管压降进行监测来实现对的保护。采用本文介绍的短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。 短路保护的工作原理图() 所示为工作在整流状态的型桥式变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两
14、只未画出），图( )为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相电路，在整流、逆变工作状态或单相工作状态下，电路的分析过程及结论基本类似）。在图所示的电路中，在市电电源的正半周期，将.所示的高频驱动信号加在下半桥两只的栅极上，得到管压降波形 。其工作过程分析如下：在时刻，受驱动信号的作用,、导通（实际上是导通, 处于续流状态），在的作用下通过电感的电流增加，在管上形成如图（）中 所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在导通时的体电阻上产生的压降；在时刻，、关断，由于电感中有储能，因此在电感的作用下，二极管、续流，形成图（）中.的阴影部
15、分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到导通时的管压降的值，应该将在时刻导通时的管压降保留，而将在时刻检测到的的管压降的值剔除，即将图（）中.的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。图 2 IGBT 短路保护电路原理图根据以上的分析可知，在正常情况下，导通时的管压降( ) 的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据( ) 的额定值。但是，如果型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只同时导通的 “直通” 现象），则这时在下管的极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出
16、来，就可以作为对进行保护的依据，从而对实施有效的保护。 短路保护电路的设计由对图所示电路的分析，可以得到短路保护电路的原理电路图，如图所示。在图所示电路中 及其外围器件构成选通逻辑电路，由及其外围器件构成滤波及放大电路，及其外围器件构成门限比较电路，及其外围器件构成保持电路。正常情况下，、的阴极所连接的、及的输出均为高电平，的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给发驱动信号的时候，型桥式变换电路的左半桥下管的管压降异常升高（设电平值为“ 高” ），即端电压异常升高，则该高电平通过加在的阴极；同时，发给的高电平驱动信号也加在二极管的阴极。对来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的
17、门槛电平值的话，则输出为“低” 。该 “低”电平通过加在触发器的输入端，使其输出端的输出电平翻转，向控制系统发出故障报警信号。如果是由于右半桥下管的管压降异常升高而引起输出为“低” ，则该“低”电平通过加在触发器的输入端，使其输出端的输出电平翻转，向控制系统发出故障报警信号。由和及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述管压降的电压信号进行预处理后，送给由构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由和确定的门槛电平，则会使触发器的端的第三个输入端为“低” ，也向控制系统发出故障报警信号。改变由和确定的门槛电平，就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护
18、电路。图中的端子、，分别接在、的集电极上，、分别接器件、的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，、必须采用快速恢复二极管。 仿真及实验结果当图所示的变换器工作在单相高频整流模式下，应用仿真软件对图所示的电路进行仿真研究，可以得到如图所示的结果。图所示的仿真波形相当于在图电路中的第脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将变换器的下管导通时的管压降检测出来。图所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，通道显示的是实际检测到的图电路中的第脚的工作波形。比较图和图可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出导通时的管压降，从而对实施
19、有效的保护。图所示为过流时实际检测到的电感中流过的电流及保护电路动作的波形。电路实际运行结果证明，本文介绍的短路保护电路可以有效地对实施保护，成本低，动作可靠。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。 高压 IGBT 模块 2SD315AI-33 的应用研究摘要：介绍了一种新型高性能高压 IGBT 集成驱动模块2SD315AI-33 的管脚功能和工作原理，同时还给出了该模块与同类产品相比的显著性能特点，介绍了 2SD315AI-33 在“ 双逆变器电机”能量互馈式交流传动试验系统中的应用方法，讨论了在
20、实际应用中的注意事项。 关键词：IGBT 驱动模块 2SD315AI-33 逆变器是瑞士公司专为高压的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块，它以专用芯片组为基础，外加必需的其它元件组成。该模块采用脉冲变压器隔离方式，能同时驱动两个 模块，可提供的驱动电压和 的峰值电流，具有准确可靠的驱动功能与灵活可调的过流保护功能，同时可对电源电压进行欠压检测，工作频率可达兆赫兹以上；电气隔离可达到。 简介 外形及管脚功能图所示为的外形图，该芯片共有个管脚。具体功能如下：，脚（）：信号电源；脚（）：通道状态输出；脚（）： 定义逻辑电平错误信号复位；脚（）：通道死区网络；脚（）：；脚（）：通道死区网络；脚（）：模
21、式选择；脚（）：通道状态输出；脚（）：；，脚（）：电源地；脚（）：驱动电源；脚（）：驱动电源地；脚（）：通道的状态显示端；脚（）：通道的集电极检测端；脚（）： 通道的阈值电阻端；，脚（）：通道的发射极；脚（）： 通道的输出侧电源；，脚（）：通道的输出侧地；，脚（）：通道的栅极；，脚（）：未用；脚（）：通道的状态显示端；脚（）：通道的集电极检测端；脚（）：通道的阈值电阻端；，脚（）：通道的发射极；脚（）：通道的输出侧电源；，脚（）：通道的输出侧地；，脚（）：通道的栅极。 主要参数的极限参数如下供电电压和：；逻辑信号输入电平：；门极峰值电流：；内部开关电源输出功率：；输入输出隔离电压： ；工作温度
22、：；下面是的主要电参数输入输出延迟开通时间 ：；关断时间( )：；短路或欠压保护阻断时间：；输出上升时间( )：；输出下降时间( )：；最大电压上升率： 。 工作原理及性能特点 工作原理图为的功能框图。它主要由转换电路、输入处理电路、驱动输出及逻辑保护电路组成。转换电路的功能是将输入部分与工作部分进行隔离。而其输入处理电路由及其外围电路组成。由于控制电路产生的信号不能直接通过脉冲变压器，尤其是当脉冲信号的频率和占空比变化较大时，尤为困难。就是专门为此而设计的，此专用集成芯片的功能主要是对输入的信号进行编码，以使之可通过脉冲变压器进行传输。由于该器件内部带有施密特触发器，因此对输入端信号无特殊的
23、边沿陡度要求，并能提供准静态的状态信号反馈。将其设计为集电极开路方式，可以适应任何电平逻辑，并可直接产生死区时间。以上优点使得接口既易用又灵活，从而省去了其它专用电路所必需的许多外围器件。驱动输出及逻辑保护电路的核心芯片是。它将变压器接口、过流短路保护、阻断逻辑生成、反馈状态记录、供电监视和输出阶段识别等功能都已集成在一起。每个用于一个通道，其具体功能是对脉冲变压器传来的信号进行解码，对信号进行功率放大，对的短路、过流及电源的欠压检测保护，并向反馈状态，以产生短路保护的响应时间和阻断时间等。 性能特点与其它驱动器相比具有以下几个显著的特点：（）可灵活定义逻辑电平；（）可自由选择工作模式；（）具
24、有短路和过流保护功能；（）具有欠压监测功能；（）可动态设定短路保护阈值 在实际中的应用 应用实例笔者所在实验室中正在设计的“双逆变器电机” 能量互馈式交流传动试验系统由于采用专为电力机车所设计的异步电机，故逆变器和变流器的主开关器件选用的是公司的高压 模块。该器件的电压等级为，电流等级为。根据对驱动保护电路的要求以及驱动模块的性能特点，笔者设计了的驱动保护电路，具体如图所示。该电路由输入保护、电源保护、上电复位、死区时间设定及与的接口电路几部分组成，该电路工作于半桥模式。以下分别予以介绍：输入保护：通常驱动板通过引线与控制电路相连，因此，应对驱动电路的输入和给予适当地保护，以便在掉电或输入信号
25、呈高阻时，输入端能够通过电阻接地。电容的作用是抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲。该电路会产生大约的信号延迟。电源保护：在一定的情况下，如果驱动器外部发生短路（如毁坏或短路） ，则驱动模块内部的变换器可能会导致电源线短路。故设计时在端增加了一个熔断器，以保证在出现故障时电路板不致毁坏。图中的稳压管用于过压保护。上电复位：由于上电后的错误信息总是保存在驱动模块的错误寄存器中，因此在驱动电路与控制电路分离的情况下，可通过图连接于的上电复位电路进行复位。该电路同时还有欠压保护功能。时，反向击穿，导通，截止，为高电平，驱动器开通；而当时，截止，导通，为低电平，驱动器关断。另外，该复位电路还可保证在
26、开启电源后的一个较短时间内使加于所有器件控制端上的电压均为低，以保证所有器件均处于关断状态。与接口：当开通时，驱动电流经和二极管流向，即开通电阻 关闭时，由于二极管的单向导电性， 门极经和放电 即关断电阻。这样就使得开通的、和关断的可以分别控制，从而改善了开关过程，减少了开关损耗。 设计中需要特别注意的问题在任何时候都不能使过流检测管脚直接接到的集电极，而需通过二极管连接。其反向承受的峰值电压应超过逆变器直流侧电压的，以防止高压串入驱动电路。在管脚和之间需串接一个电阻和发光二极管以指示通道的工作状态，在正常情况下，发光二极管发光，而在发生短路和欠压故障时，发光二极管熄灭。但由于制作工艺上的原因
27、，管脚对于干扰极为敏感，因此，在设计中若要指示状态，应把发光二极管接在电路板上尽量靠近输出端的地方，若不需状态指示，则必须把管脚和短接。千万不要通过很长的引线将发光二极管引出，或者将端悬空，否则会因电磁干扰的引入使整个电路不能正常工作。电容 是根据高压开通时的特殊性来实现开通时、的分别控制。选取时要反复调试，否则会使驱动输出信号发生振荡。 门极驱动布线门极驱动布线对防止潜在的振荡、减慢门极电压的上升、减少噪声损耗、降低门极电源电压或减少门极保护电路的动作次数有很大的影响。因此，门极布线的设计必须依从以下的原则：（） 布线必须将驱动器的输出级和之间的寄生电感减至最低，这相当于把门极的连线和发射极
28、的连线之间包围的环路面积减至最低。（） 必须正确放置门极驱动板，以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。（） 板的条线之间不宜太过靠近，否则的开关会使其相互电位改变，因为过高的会通过寄生电容耦合噪声。（） 安装时，为缩短连线，应把驱动板直接用螺丝拧在模块上。图 3 3300V/1200A IGBT 的驱动电路 结论通过以上介绍可知，高压驱动模块具有以下优点：（）只需简单调整脚，就可使该电路在半桥模式和直接模式下运行。（）该驱动模块的接口非常简单，能处理所有从电平的逻辑信号。由于输入口内部有施密特触发器，它对输入端信号无特殊的边沿陡度要求，而且状态反馈输出端设计为集电极开路，因此，该电路可以适应任何电平逻辑。（）由于采用双极性的驱动电压（） ，使得任何厂家的各种级别的模块都可安全运行；负偏置的使用使得电路的抗干扰能力大大增强，这样就很容易实现模块的并联。（）内部电压隔离使得即使是多个驱动模块，也可以共用一个驱动电源，这不但省去了人力和资金，而且电磁干扰程度也大大降低。（）过流保护能准确无误的动作，且简单易调。同时具有欠压保护功能，并采取与过流保护同样的措施。（）用变压器作隔离输出级使得该驱动模块可用在控制回路与电力回路电位相差较大或电位变化较大的装置中，同时脉冲变压器的双向工作，既可传输驱动信号，也可传输反馈信号。(综合电子论坛)
