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IGBT通用计算方法、门极驱动特点及典型应用电路介绍

2019-08-16 13:20 来源:发烧友 编辑:Janet

IGBT的开关频率不是算出来的,只能是在变频电源生产厂家生产时测试它工作的最高频率,正常时候,我们使用之前都需要先确定让其大概工作在多少频率段,并经过实验调整最终确定其频率的大小。另外要明确:IGBT的开关频率就是控制电路的频率。IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破;应用频率硬开关5KHz~40KHz,软开关40KHz~150KHz;功率从五千瓦到几百千瓦! IGBT的开关频率如下表所示:

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各规格的IGBT开关频率

影响IGBT开关频率的因素  

开关管频率一般看开关器件本身,装置容量和拓扑基本确定了开关器件类型,从而确定了频率。基于减小磁性元件体积和重量考虑,频率当然越高越好,但开关损耗和频率成正比。 开关频率决定于很多因素,例如系统性能(动态、稳态、谐波等)的要求、开关器件本身的损耗特性、散热方式(水冷/风冷)、使用环境、负载情况等等,不是一句话或者一个公式可以确定的。我们做产品时,还要考虑一些特殊的要求,比如地区性的认证要求,都可能影响开关频率。

一般来说,IGBT开关频率大小的确定需要考虑工作电路噪声大小、IGBT的功耗包括开通和关断、温升情况、开关管的电压电流尖峰、驱动波形的干扰情况(主要由于米勒效应引起)等。当关断信号发出时,由于电路中不能避免的电感作用,电流不会立即降为0,需等到堆集在CE两极的载流子渐渐消失,才能彻底关断。电流越大,流过的载流子就越多,堆集的也就越多,自然关断时间就越长。

IGBT开关频率与开关损耗的关系

IGBT开关频率是跟开关损耗有关,和静态损耗没有关系:

IGBT 的损耗简单分为: IGBT开关损耗+IGBT静态损耗+FWD导通损耗(如有)+FWD恢复损耗(如有)

如果是使用现成的伺服产品,则IGBT的开关频率不是可以随便设的,比如 Rexroth和Lenze的只能在4、8、16KHz这3档中选,功率愈大,频率相应的逾低,控制精度要求逾高,频率相应地逾高。

值得一提的是如果是自己设计伺服,则需根据器件的开关速度,封装的热阻和最大耗散能力等指标,以及电流环精度需求,妥善选择。常见的频率有20KHz,16KHz ,15KHz,12KHz,10KHz,9KHz,8KHz,6KHz,5KHz,4.5KHz,4KHz等较为整装的数值。 总之是一个实践性很强的东西。

IGBT门极驱动特点及典型应用电路

IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。我们根据长期使用 IGBT 的经验并参考有关文献对 IGBT 的门极驱动问题做了一些总结,希望对广大 IGBT 应用人员有一定的帮助。

1 IGBT 门极驱动要求

1.1 栅极驱动电压

因 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大,故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动,但 IGBT 的输入电容较 MOSFET 大,所以 IGBT 的驱动偏压应比 MOSFET 驱动所需偏压强。图 1 是一个典型的例子。在 +20 ℃情况下,实测 60 A , 1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为 5 ~ 6 V ,在实际使用时,为获得最小导通压降,应选取 Ugc ≥ (1.5 ~ 3)Uge(th) ,当 Uge 增加时,导通时集射电压 Uce 将减小,开通损耗随之减小,但在负载短路过程中 Uge 增加,集电极电流 Ic 也将随之增加,使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄,因此 Ugc 的选择不应太大,这足以使 IGBT 完全饱和,同时也限制了短路电流及其所带来的应力 ( 在具有短路工作过程的设备中,如在电机中使用 IGBT 时, +Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值,以提高其耐短路能力 ) 。

HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ,光耦隔离, COMS/TTL 电平兼容,过流软关断,最大开关速度 500 ns ,工作电压 15 ~ 30 V ,欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管,集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。

IGBT通用计算方法、门极驱动特点及典型应用电路介绍

1.2 对电源的要求

对于全桥或半桥电路来说,上下管的驱动电源要相互隔离,由于 IGBT 是电压控制器件,所需要的驱动功率很小,主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电,要求能提供较大的瞬时电流,要使 IGBT 迅速关断,应尽量减小电源的内阻,并且为防止 IGBT 关断时产生的 du/dt 误使 IGBT 导通,应加上一个 -5 V 的关栅电压,以确保其完全可靠的关断 ( 过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿,一般为 -2 ~ 10 V 之间 ) 。

1.3 对驱动波形的要求

从减小损耗角度讲,门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭,前沿很陡的门极电压使 IGBT 快速开通,达到饱和的时间很短,因此可以降低开通损耗,同理,在 IGBT 关断时,陡峭的下降沿可以缩短关断时间,从而减小了关断损耗,发热量降低。但在实际使用中,过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下, IGBT 过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压 Ldi/dt ,并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成 IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时,应根据电路中元件的耐压能力及 du/dt 吸收电路性能综合考虑。

1.4 对驱动功率的要求

由于 IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率,最小峰值电流可由下式求出:

I GP = △ U ge /R G +R g ;

式中△ Uge=+Uge+|Uge| ; RG 是 IGBT 内部电阻; Rg 是栅极电阻。

驱动电源的平均功率为:

P AV =C ge △ Uge 2 f,

式中. f 为开关频率; Cge 为栅极电容。

1.5 栅极电阻

为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡,减小 IGBT 集电极的电压尖峰,应在 IGBT 栅极串上合适的电阻 Rg 。当 Rg 增大时, IGBT 导通时间延长,损耗发热加剧; Rg 减小时, di/dt 增高,可能产生误导通,使 IGBT 损坏。应根据 IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取 Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间 ( 在具体应用中,还应根据实际情况予以适当调整 ) 。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏 IGBT ,建议在栅射间加入一电阻 Rge ,阻值为 10 k Ω左右。

1.6 栅极布线要求

合理的栅极布线对防止潜在震荡,减小噪声干扰,保护 IGBT 正常工作有很大帮助。

a .布线时须将驱动器的输出级和 lGBT 之间的寄生电感减至最低 ( 把驱动回路包围的面积减到最小 ) ;

b .正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路,防止功率电路和控制电路之间的耦合;

c .应使用辅助发射极端子连接驱动电路;

d .驱动电路输出不能和 IGBT 栅极直接相连时,应使用双绞线连接 (2 转/ cm) ;

e .栅极保护,箝位元件要尽量靠近栅射极。

1.7 隔离问题

由于功率 IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合,所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离,主要的途径及其优缺点如表 1 所示。

HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ,光耦隔离, COMS/TTL 电平兼容,过流软关断,最大开关速度 500 ns ,工作电压 15 ~ 30 V ,欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管,集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。

IGBT通用计算方法、门极驱动特点及典型应用电路介绍

2 典型的门极驱动电路介绍

2.1 脉冲变压器驱动电路

脉冲变压器驱动电路如图 2 所示, V1 ~ V4 组成脉冲变压器一次侧驱动电路,通过控制 V1 、 V4 和 V2 、 V3 的轮流导通,将驱动脉冲加至变压器的一次侧,二次侧通过电阻 R1 与 IGBT5 栅极相连, R1 、 R2 防止 IGBT5 栅极开路并提供充放电回路, R1 上并联的二极管为加速二极管,用以提高 IGBT5 的开关速度,稳压二极管 VS1 、 VS2 的作用是限制加在 IGBT5g-e 端的电压,避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过 20 V 。

HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ,光耦隔离, COMS/TTL 电平兼容,过流软关断,最大开关速度 500 ns ,工作电压 15 ~ 30 V ,欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管,集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。

IGBT通用计算方法、门极驱动特点及典型应用电路介绍

图 2 脉冲变压器驱动电路

2.2 光耦隔离驱动电路

光耦隔离驱动电路如图 3 所示。由于 IGBT 是高速器件,所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦,由 PWM 控制器输出的方波信号加在三极管 V1 的基极, V1 驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路 IC1 ,经 IC1 放大后驱动由 V2 、 V3 组成的对管 (V2 、 V3 应选择β 》100 的开关管 ) 。对管的输出经电阻 R1 驱动 IGBT4 , R3 为栅射结保护电阻, R2 与稳压管 VS1 构成负偏压产生电路, VS1 通常选用 1 W/5.1 V 的稳压管。此电路的特点是只用 1 组供电就能输出正负驱动脉冲,使电路比较简洁。

HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ,光耦隔离, COMS/TTL 电平兼容,过流软关断,最大开关速度 500 ns ,工作电压 15 ~ 30 V ,欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管,集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。

IGBT通用计算方法、门极驱动特点及典型应用电路介绍

图 3 光耦隔离驱动电路

2.3 驱动模块构成的驱动电路

应用成品驱动模块电路来驱动 IGBT ,可以大大提高设备的可靠性,目前市场上可以买到的驱动模块主要有:富士的 EXB840、841,三菱的 M57962L,落木源的KA101、KA102,惠普的 HCPL316J、3120 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点,所以应用这类模块驱动 IGBT 可以缩短产品开发周期,提高产品可靠性。 。典型电路如图 4 所示。

HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ,光耦隔离, COMS/TTL 电平兼容,过流软关断,最大开关速度 500 ns ,工作电压 15 ~ 30 V ,欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管,集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。

IGBT通用计算方法、门极驱动特点及典型应用电路介绍

图 4 由驱动模块构成的驱动电路

HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ,光耦隔离, COMS/TTL 电平兼容,过流软关断,最大开关速度 500 ns ,工作电压 15 ~ 30 V ,欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管,集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。

HCPL316J 输入、输出部分各自排列在集成电路的两边,由 PWM 电路产生的控制信号加在 316j 的第 1 脚,输入部分需要 1 个 5 V 电源, RESET 脚低电平有效,故障信号输出由第 6 脚送至 PWM 的关闭端,在发生过流情况时及时关闭 PWM 输出。输出部分采用 +15 V 和 -5 V 双电源供电,用于产生正负脉冲输出, 14 脚为过流检测端,通过二极管 VDDESAT 检测 IGBT 集电极电压,在 IGBT 导通时,如果集电极电压超过 7 V ,则认为是发生了过流现象, HCPL316J 慢速关断 IGBT ,同时由第 6 脚送出过流信号。

通过对 IGBT 门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍,使大家对 IGBT 的应用有一定的了解。可作为设计 IGBT 驱动电路的参考。

标签: IGBT

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