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近年来 , 绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 以其优越的性能 , 在变流器中取代了其他大功率开关器件,正确使用 IGBT 的关键问题是要有比较好的驱动电路 , 在驱动波形 , 正、反偏 , 保护等方面驱动电路都要满足 IGBT 的驱动要求.因此 , 分析与设计良好的驱动电路是应用好 IGBT 的前提 [1] .尽管这方面的研究已经颇多 , 但多偏重于专用驱动模块的讨论.本文从经济实用的角度出发 , 另辟途径 , 用分立元件、 555 定时器、光耦合器等元件来研制 IGBT 的驱动电路.
1 IGBT 对门极驱动电路的要求
IGBT 是由 MOSFET 和晶体管技术结合而成的复合型器件 , 其内部结构 :IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 型晶体管 , 简化等效电路见图 1[2] .
图 1 IGBT 的简化等效电路
IGBT 属于场控器件 , 在门极施以正电压时 ,MOSFET 内形成沟道 , 并为 PNP 晶体管提供基极电流 , 从而使 IGBT 导通 ; 在门极上施以负电压时 ,MOSFET 内的沟道消失 ,PNP 晶体管的基极电流被切断 ,IGBT 即为关断.由此可见 ,IGBT 的开通和关断是由门极电压来控制的 [1][3] .再结合 IGBT 的静态和动态特性 ,IGBT 对门极驱动电路的要求为 [4]:(1)IGBT 与 MOSFET 都是电压驱动 , 都具有一个 2.5V~5V 的阈值电压 , 有一个容性输入阻抗 , 因此 IGBT 对门极电荷集聚非常敏感 , 故驱动电路必须很可靠 , 要保证有一条低阻抗值的放电回路 , 即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短 ;(2) 用低内阻的驱动源对门极电容充放电 , 以保证门极控制电压 Uge 有足够陡峭的前后沿 , 使 IGBT 的开关损耗尽量小.另外 ,IGBT 开通后 , 门极驱动源应能提供足够的功率 , 使 IGBT 不退出饱和而损坏 ;(3) 驱动电路中 ,IGBT 的门极正偏压 (+Uge) 应为 +12V~+15V; 门极负偏压 (+Uge) 应为 +2V~+10V;(4) 驱动电路要能传递几十 kHz 的脉冲信号 ;(5) 在大电感负载下, IGBT 的开关时间不能太短 , 以限制 di/dt 所形成的尖峰电压 , 确保 IGBT 的安全 ;(6) 由于 IGBT在电力电子设备中多用于高压场合 , 故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离 ;(7) 驱动电路应尽可能简单实用 , 最好自身带有对 IGBT 的保护功能 , 有较强的抗干扰能力.
根据驱动要求 , 可以得出驱动电路中 IGBT 门源电压 Uge( 即驱动电压 ) 的理想波形见图 2 .
图 2 驱动电压 Uge 的理想波形
2 两种方案
根据驱动要求 ,IGBT 的驱动电路必须具备二个基本功能 : 一是提供合适的门极驱动脉冲 ; 二是实现控制电路与被驱动 IGBT 门极的电隔离 [5] .设计的思路是 :(1) 采用稳压二极管实现 5V 的恒偏压 , 再和 +20V 稳压源共同作用实现 +15V/-5V 的驱动电压 ;(2) 采用脉冲变压器、微分变压器或光耦合器来实现电隔离.笔者之所以选用 TLP 型普通光耦合器 , 原因有三 : 一是能够实现控制脉冲与驱动电路的电隔离 ; 二是可在电路中作开关器件使用 , 以实现控制回路的闭合和关断 ; 三是经济实用 , 成本低廉.
2.1 由分立元件构成的 IGBT 驱动电路 :
图 3 为采用光耦合器等分立元件构成的 IG2BT 驱动电路.该电路的特点是采用晶体三极管组成互补推挽式电路 , 为电流提供正向和反向通路 , 以实现 IGBT 门极驱动电压的正、反偏变换.
当输入控制脉冲信号为高电平时 , 光耦合器 U1(A4N25) 导通 , 晶体管 Q1 截止 ,Q2 导通 , 在稳压二极管 D3(D1N750) 的共同作用下输出 +15V 驱动电压.当输入控制脉冲信号为低电平时 , 光耦 U1(A4N25) 截止 , 晶体管 Q1 、 Q3 导通 ,Q2 截止 , 再结合 D3(D1N750) 的作用输出 -5V 电压.
使用该电路时应注意 +20V 稳压源需靠近驱动电路 , 驱动电路输出端及电源地端至 IGBT 门极和发射极的引线应采用双绞线 , 长度最好不超过 0.5m .
2.2 由 555 定时器构成的 IGBT 驱动电路 Gx+x4KYuF--未经许可,禁止转载y G{wuwwz!
图 4 为由 555 定时器构成的 IGBT 驱动电路.该电路的特点是 :(1) 利用 555 定时器内部放电管 ( 引脚 ) 的导通、关断来实现 +15V/-5V 的驱动电压 ;(2)555 定时器引脚、接在一起 , 构成了双稳态电路结构 ;(3) 电阻 R5 与稳压管 D3(D1N750) 构成了对 IGBT 输入端的负偏压 , 以保证 IGBT 关断的可靠性 [6] .
在输入控制脉冲信号为高电平时 , 光耦合器 U1(A4N25) 导通 ,555 定时器内部放电管导通 , 引脚接地 , 此时 IGBT 门极通过电阻 R6 放电 , 门极电压迅速下降为零 , 在稳压二极管 D3(D1N750) 的共同作用下输出 -5V 驱动电压.当输入控制脉冲信号为低电平时 , 光耦 U1(A4N25) 截止 ,555 定时器内部放电管截止 , 引脚相当于悬空 , 此时 IGBT 门极直接由 +20V 电源供电 , 再结合 D3(D1N750) 的作用输出 +15V 驱动电压.
由电路的工作原理可知 : 控制脉冲信号为高电平时 , 该电路输出 -5V 驱动电压 , 而当控制脉冲信号为低电平时 , 电路输出 +15V 驱动电压.为保证控制脉冲信号与驱动脉冲的同步 , 可在控制脉冲信号引入光耦合器之前 , 先经过一反相器反相.需要指出的一点是 ,555 定时器不能长时间承受 +20V 的电压 , 因此由 555 定时器构成的 IGBT 驱动电路不适用于长时间不间断工作的场合
3 PSPICE 仿真结果
PSPICE 是计算机辅助分析和设计中的电子电路模拟软件 , 主要用于所设计的电路硬件实现之前 , 先对电路进行模拟分析.为检验所设计的驱动电路的正确性 , 可先利用 PSPICE 软件对其进行仿真分析.
分别按照图 3 、图 4 在 PSPICE 平台中连接好仿真电路 , 因驱动电压 Uge 是驱动电路的重要性能指标 , 故仿真分析主要测试 Uge( 图 3 、图 4 中正 / 负两探点间电位差 ) 的瞬态响应.仿真过程中 , 控制脉冲采用 10kHz; 占空比为 2/3 的方波信号 , 光耦合器选用 U1(A4N25), 稳压二极管采用 D1N750( 额定值设为 5V), 分别选定适当的扫描步长和扫描时间 , 测试结果见图 5 、图 6 .
从测试结果可知 : 两电路的驱动电压完全满足 IGBT 的驱动要求 , 且上升沿和下降沿都比较陡直 , 说明正、反偏的时间很短 , 能够保证 IGBT 可靠地工作.
4 实验结果
在计算机仿真的基础之上 , 可通过实验来进一步检验所设计的驱动电路的性能.
实验电路分别按照上面的仿真电路 ( 图 3 、图 4) 来搭建.实验条件为 : 控制脉冲由 SG3524 芯片构成的 PWM 电路产生 ; 光耦采用 TLP630 型普通光耦合器 ;555 定时器选用普通的 NE555 集成块 ; 晶体三极管采用 9013 型 (NPN) 和 9015 型 (PNP); 稳压管选用额定电压为 5V 的稳压二极管 ; 直流稳压电源一台 ;IGBT 选用富士公司的 2MBI50P-140 型 (1400V,50A); 双踪数字存储示波器一台 ; 电阻 , 电容 , 电感 , 二极管 , 导线若干.
通过数字存储示波器测得两种电路的驱动电压 (Uge) 波形分别见图 7 、图 8 .
5 结论
综上所述 , 计算机 PSPICE 仿真结果与实验结果基本一致.测试结果表明所研制的驱动电路完全符合 IGBT 的驱动要求 , 且结构简单 , 成本低廉 , 性能稳定 , 能够使 IGBT 可靠地工作 , 具有一定的实用价值.
IGBT驱动保护电路的改良设计
IGBT驱动电路性能分析
841的IGBT驱动电路设计及优化
集成化 IGBT 专用驱动器 EXB841
现在,大电流高电压的 IGBT 已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的 IGBT 专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小.
集成化驱动电路的构成及性能
下面以富士电机公司 EXB 系列驱动器为例加以介绍. EXB850 ( 851 )为标准型(最大 10kHz 运行),其内部电路框图如图 2 - 65 .所示. EXB840 ( 841 )是高速型(最大 40kHz 运行),其内部电路框图如图 2 - 65b 所示.它为直插式结构,额定参数和运行条件可参考其使用手册.
EXB 系列驱动器的各引脚功能如下:
脚 1 :连接用于反向偏置电源的滤波电容器;
脚 2 :电源( + 20V );
脚 3 :驱动输出;
脚 4 :用于连接外部电容器,以防止过流保护电路误动作(大多数场合不需要该电容器);
脚 5 :过流保护输出;
脚 6 :集电极电压监视;
脚 7 、 8 :不接;
脚 9 :电源;
脚 10 、 11 :不接;
脚 14 、 15 :驱动信号输入(一,+);
由于本系列驱动器采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离,因此能用于交流 3 80V 的动力设备上.
IGBT 通常只能承受 10us 的短路电流,所以必须有快速保护电路. EXB 系列驱动器内设有电流保护电路,根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流,其检测电路如图 2 - 66 .所示.当集电极电压
高时,虽然加入信号也认为存在过电流,但是如果发生过电流,驱动器的低速切断电路就慢速关断 IGBT ( < loUs 的过流不响应),从而保证 1GBT 不被损坏.如果以正常速度切断过电流,集电极产生的电压尖脉冲足以破坏 IGBT ,关断时的集电极波形如图 2 - 6 6b 所示．
IGBT 在开关过程中需要一个十 15V 电压以获得低开启电压,还需要一个一 5V 关栅电压以防止关断时的误动作.这两种电压 (+ 15V 和一 5V )均可由 20v 供电的驱动器内部电路产生,如图 2--6 6C 所示.
EXB841 剖析
为了更好地应用 IGBT ,有关专家对 EXB841 作了解剖,经反复测试、整理,得到 EXB841 的原理图,如 图 2 - 67 所示.图中参数均为实际测得,引脚标号与实际封装完全相同.
EXB841 由放大部分、过流保护部分和 5V 电压基准部分组成. 放大部分由光耦合器 IS01 ( TLP550 )、 V2 、 V4 、 V5 和 R1 、 C1 、 R2 、 R9 组成,其中 IS01 起隔离作用, V2 是中间级, V4 和 V5 组成推挽输出.
过流保护部分由 V1 、 V3 、 VD6 、 VZI 和 C2 、 R3 、 R4 、 R5 、 R6 、
C3 、 R7 、 R8 、 C4 等组成.它们实现过流检测和延时保护功能. EXB84l 的脚 6 通过快速二极管 VD7 接至 IGBT 的集电极,显然它是通过检测电压 Uce 的高低来判断是否发生短路. 5V 电压基准部分由 r10, VZ2 和 C5 组成,既为驱动 IGBT 提供一 5V 反偏压,同时也为输入光耦合器 IS01 提供副方电源.
