1、IGBT 高压大功率驱动和保护电路的应用及原理IGBT 高压大功率驱动和保护电路的应用及原理通过对功率器件 IGBT 的工作特性分析、驱动要求和保护方法等讨论，介绍了的一种可驱动高压大功率 IGBT 的集成驱动模块 HCPL-3I6J 的应用关键词：IGBT；驱动保护电路；电源 IGBT 在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。IGBT 集双极型功率晶体管和功率 MOSFET 的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。但是，IGBT 和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此，IGBT 的驱
2、动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。为解决 IGBT 的可靠驱动问题，国外各 IGBT 生产厂家或从事 IGBT 应用的企业开发出了众多的 IGBT 驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的 EXB8 系列，三菱电机公司生产的 M579 系列，美国 IR 公司生产的 IR21 系列等。但是，EXB8 系列、M579 系列和 IR21 系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的 HCLP 一316J 有过流保护、欠压保护和 1GBT 软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出 1700V，200300A IGBT 的驱动和保护电路。
3、1 IGBT 的工作特性IGBT 是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT 的导通与关断是由栅极电压 UGE 来控制的，当 UGE 大于开启电压 UGE(th)时 IGBT 导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT 被关断。IGBT 与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究 IGBT 的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。2 IGBT 驱动电路要求在设计 IGBT 驱动时必须注意以下几点。1)栅极正向驱动电压的大小将
4、对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT 的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流 IC 随 UGE 增大而增大，可能使 IGBT 出现擎住效应，导致门控失效，从而造成 IGBT 的损坏；若正向驱动电压过小会使 IGBT 退出饱和导通区而进入线性放大区域，使 IGBT 过热损坏；使用中选 12VUGE18V 为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使 IGBT 误导通，一般负偏置电压选一 5V 为宜。另外，IGBT 开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使 IGBT 在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。2)
5、IGBT 快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下 IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT 或其他元器件被击穿。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。 RG 较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏 IGBT；RG 较大，有利于抑制 dvcedt，但会增加 IGBT 的开关时间和开关损耗。合适的 CG 有利于抑制dicdt，CG 太大，开通时间延时， CG 太小对抑制 dicdt 效果不明显。4)当 IGBT 关断时，栅射电压很容易受 IGBT
6、 和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。3 HCPL-316J 驱动电路3.1 HCPL-316J 内部结构及工作原理HCPL-316J 的内部结构如图 1 所示，其外部引脚如图 2 所示。从图 1 可以看出， HCPL-316J 可分为输入 IC(左边)和输出 IC(右边)二部分，输入和输出之间完全能满足高压大功率 IGBT 驱动的要求。各引脚功能如下：脚 1(VIN+)正向信号输入；脚 2(VIN-)反向信号输入；脚
7、3(VCG1)接输入电源；脚 4(GND)输入端的地；脚 5(RESERT)芯片复位输入端；脚 6(FAULT) 故障输出，当发生故障(输出正向电压欠压或 IGBT 短路)时，通过光耦输出故障信号；脚 7(VLED1+)光耦测试引脚，悬挂；脚 8(VLED1-)接地；脚 9，脚 10(VEE)给 IGBT 提供反向偏置电压；脚 11(VOUT)输出驱动信号以驱动 IGBT；脚 12(VC)三级达林顿管集电极电源；脚 13(VCC2)驱动电压源；脚 14(DESAT) IGBT 短路电流检测；脚 15(VLED2+)光耦测试引脚，悬挂；脚 16(VE)输出基准地。其工作原理如图 1 所示。若 V
8、IN+正常输入，脚 14 没有过流信号，且 VCC2-VE=12v 即输出正向驱动电压正常，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出低电平。首先 3路信号共同输入到 JP3，D 点低电平，B 点也为低电平，50DMOS 处于关断状态。此时JP1 的输入的 4 个状态从上至下依次为低、高、低、低，A 点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT 也随之开通。 若 IGBT 出现过流信号(脚 14 检测到 IGBT 集电极上电压=7V)，而输入驱动信号继续加在脚 1，欠压信号为低电平， B 点输出低电平，三级达林顿管被关断，1DMOS 导通，IGBT 栅射集之间的电压慢慢放掉，实现慢降栅压。当 VO
9、UT=2V 时，即 VOUT 输出低电平，C 点变为低电平，B 点为高电平，50DMOS 导通，IGBT 栅射集迅速放电。故障线上信号通过光耦，再经过 RS 触发器，Q 输出高电平，使输入光耦被封锁。同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。3 2 驱动电路设计驱动电路及参数如图 3 所示。HCPL-316J 左边的 VIN+，FAULT 和 RESET 分别与微机相连。R7，R8， R9，D5，D6 和 C12 起输入保护作用，防止过高的输入电压损坏 IGBT，但是保护电路会产生约 1s 延时，在开关频率超过 100kHz 时不适合使用。Q3 最主要起互锁作用，当两路 PWM 信号(同一
10、桥臂)都为高电平时，Q3 导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。图 3 中的互锁信号 Interlock，和 Interlock2 分别与另外一个 316J Interlock2和 Interlock1 相连。R1 和 C2 起到了对故障信号的放大和滤波，当有干扰信号后，能让微机正确接受信息。在输出端，R5 和 C7 关系到 IGBT 开通的快慢和开关损耗，增加 C7 可以明显地减小dicdt。首先计算栅极电阻：其中 ION 为开通时注入 IGBT 的栅极电流。为使 IGBT 迅速开通，设计，IONMAX 值为 20A。输出低电平 VOL=2v。可得C3 是一个非常重要的参数，最主要起充电
11、延时作用。当系统启动，芯片开始工作时，由于 IGBT 的集电极 C 端电压还远远大于 7V，若没有 C3，则会错误地发出短路故障信号，使输出直接关断。当芯片正常工作以后，假使集电极电压瞬间升高，之后立刻恢复正常，若没有 C3，则也会发出错误的故障信号，使 IGBT 误关断。但是， C3 的取值过大会使系统反应变慢，而且在饱和情况下，也可能使 IGBT 在延时时间内就被烧坏，起不到正确的保护作用， C3 取值 100pF，其延时时间在集电极检测电路用两个二极管串连，能够提高总体的反向耐压，从而能够提高驱动电压等级，但二极管的反向恢复时间要很小，且每个反向耐压等级要为 1000V，一般选取BYV2
12、61E，反向恢复时间 75 ns。R4 和 C5 的作用是保留 HCLP-316J 出现过流信号后具有的软关断特性，其原理是 C5 通过内部 MOSFET 的放电来实现软关断。图 3 中输出电压VOUT 经过两个快速三极管推挽输出，使驱动电流最大能达到 20A，能够快速驱动1700v、200-300A 的 IGBT。 3 3 驱动电源设计在驱动设计中，稳定的电源是 IGBT 能否正常工作的保证。如图 4 所示。电源采用正激变换，抗干扰能力较强，副边不加滤波电感，输入阻抗低，使在重负载情况下电源输出电压仍然比较稳定。当 s 开通时，+12v(为比较稳定的电源，精度很高)电压便加到变压器原边和 S
13、 相连的绕组，通过能量耦合使副边经过整流输出。当 S 关断时，通过原边二极管和其相连的绕组把磁芯的能量回馈到电源，实现变压器磁芯的复位。555 定时器接成多谐振荡器，通过对 C1的充放电使脚 2 和脚 6 的电位在 48v 之间变换，使脚 3 输出电压方波信号，并用方波信号来控制 S 的开通和关断。+12v 经过 R1，D2 给 C1 充电，其充电时间 t1R1C2ln2；放电时间 t2=R2C1ln2，充电时输出高电平，放电时输出低电平。所以占空比 =t1(t1+t2)。变压器按下述参数进行设计：原边接+12v，频率为 60kHz，工作磁感应强度 Bw 为O15T，副边+15v 输出 2A，-5v 输出 1 A，效率 n=80，窗口填充系数 Km 为 O5，磁芯填充系数 Kc 为 1，线圈导线电流密度 d 为 3 Amm2。则输出功率PT=(15+O6)22+(5+O6)12=64W。变压器磁芯参数由于带载后驱动电源输出电压会有所下降，所以，在实际应用中考虑提高频率和占空比来稳定输出电压。4 结语本文设计了一个可驱动 l700v，200300A 的 IGBT 的驱动电路。硬件上实现了对两个IGBT(同一桥臂)的互锁，并设计了可以直接给两个 IGBT 供电的驱动电源。
