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IGBT高壓大功率驅動和保護電路的應用及原理

www.techfy.tw 2018/11/19 10:21:05 來源:互聯網 電力電子論壇

  通過對功率器件IGBT的工作特性分析、驅動要求和保護方法等討論,介紹了的一種可驅動高壓大功率igbt的集成驅動模塊hcpl-3i6j的應用

  關鍵詞:igbt;驅動保護電路;電源

  igbt在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應用。igbt集雙極型功率晶體管和功率mosfet的優點于一體,具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優點。

  但是,igbt和其它電力電子器件一樣,其應用還依賴于電路條件和開關環境。因此,igbt的驅動和保護電路是電路設計的難點和重點,是整個裝置運行的關鍵環節。

  為解決igbt的可靠驅動問題,國外各igbt生產廠家或從事igbt應用的企業開發出了眾多的igbt驅動集成電路或模塊,如國內常用的日本富士公司生產的exb8系列,三菱電機公司生產的m579系列,美國ir公司生產的ir21系列等。但是,exb8系列、m579系列和ir21系列沒有軟關斷和電源電壓欠壓保護功能,而惠普生產的hclp一316j有過流保護、欠壓保護和1gbt軟關斷的功能,且價格相對便宜,因此,本文將對其進行研究,并給出1700v,200~300a igbt的驅動和保護電路。

  1 igbt的工作特性

  igbt是一種電壓型控制器件,它所需要的驅動電流與驅動功率非常小,可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。igbt的導通與關斷是由柵極電壓uge來控制的,當uge大于開啟電壓uge(th)時igbt導通,當柵極和發射極間施加反向或不加信號時,igbt被關斷。

  igbt與普通晶體三極管一樣,可工作在線性放大區、飽和區和截止區,其主要作為開關器件應用。在驅動電路中主要研究igbt的飽和導通和截止兩個狀態,使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。

  2 igbt驅動電路要求

  在設計igbt驅動時必須注意以下幾點。

  1)柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響,必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時,.igbt的導通電阻下降,使開通損耗減小;但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流ic隨uge增大而增大,可能使igbt出現擎住效應,導致門控失效,從而造成igbt的損壞;若正向驅動電壓過小會使igbt退出飽和導通區而進入線性放大區域,使igbt過熱損壞;使用中選12v≤uge≤18v為好。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使igbt誤導通,一般負偏置電壓選一5v為宜。另外,igbt開通后驅動電路應提供足夠的電壓和電流幅值,使igbt在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區而損壞。

  2)igbt快速開通和關斷有利于提高工作頻率,減小開關損耗。但在大電感負載下igbt的開關頻率不宜過大,因為高速開通和關斷時,會產生很高的尖峰電壓,極有可能造成igbt或其他元器件被擊穿。

  3)選擇合適的柵極串聯電阻rg和柵射電容cg對igbt的驅動相當重要。rg較小,柵射極之間的充放電時間常數比較小,會使開通瞬間電流較大,從而損壞igbt;rg較大,有利于抑制dvce/dt,但會增加igbt的開關時間和開關損耗。合適的cg有利于抑制dic/dt,cg太大,開通時間延時,cg太小對抑制dic/dt效果不明顯。

  4)當igbt關斷時,柵射電壓很容易受igbt和電路寄生參數的干擾,使柵射電壓引起器件誤導通,為防止這種現象發生,可以在柵射間并接一個電阻。此外,在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰,最好在柵射間并接兩只反向串聯的穩壓二極管,其穩壓值應與正負柵壓相同。

  3 hcpl-316j驅動電路

  3.1 hcpl-316j內部結構及工作原理

  hcpl-316j的內部結構如圖1所示,其外部引腳如圖2所示。

  

 

  

 

  從圖1可以看出,hcpl-316j可分為輸入ic(左邊)和輸出ic(右邊)二部分,輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率igbt驅動的要求。

  各引腳功能如下:

  腳1(vin+)正向信號輸入;

  腳2(vin-)反向信號輸入;

  腳3(vcg1)接輸入電源;

  腳4(gnd)輸入端的地;

  腳5(resert)芯片復位輸入端;

  腳6(fault) 故障輸出,當發生故障(輸出正向電壓欠壓或igbt短路)時,通過光耦輸出故障信號;

  腳7(vled1+)光耦測試引腳,懸掛;

  腳8(vled1-)接地;

  腳9,腳10(vee)給igbt提供反向偏置電壓;

  腳11(vout)輸出驅動信號以驅動igbt;

  腳12(vc)三級達林頓管集電極電源;

  腳13(vcc2)驅動電壓源;

  腳14(desat) igbt短路電流檢測;

  腳15(vled2+)光耦測試引腳,懸掛;

  腳16(ve)輸出基準地。

  其工作原理如圖1所示。若vin+正常輸入,腳14沒有過流信號,且vcc2-ve=12v即輸出正向驅動電壓正常,驅動信號輸出高電平,故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到jp3,d點低電平,b點也為低電平,50×dmos處于關斷狀態。此時jp1的輸入的4個狀態從上至下依次為低、高、低、低,a點高電平,驅動三級達林頓管導通,igbt也隨之開通。

  若igbt出現過流信號(腳14檢測到igbt集電極上電壓=7v),而輸入驅動信號繼續加在腳1,欠壓信號為低電平,b點輸出低電平,三級達林頓管被關斷,1×dmos導通,igbt柵射集之間的電壓慢慢放掉,實現慢降柵壓。當vout=2v時,即vout輸出低電平,c點變為低電平,b點為高電平,50×dmos導通,igbt柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦,再經過rs觸發器,q輸出高電平,使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況。

  3.2驅動電路設計

  驅動電路及參數如圖3所示。

  

 

  hcpl-316j左邊的vin+,fault和reset分別與微機相連。r7,r8,r9,d5,d6和c12 起輸入保護作用,防止過高的輸入電壓損壞igbt,但是保護電路會產生約1μs延時,在開關頻率超過100khz時不適合使用。q3最主要起互鎖作用,當兩路pwm信號(同一橋臂)都為高電平時,q3導通,把輸入電平拉低,使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號interlock,和interlock2分別與另外一個316j interlock2和interlock1相連。r1和c2起到了對故障信號的放大和濾波,當有干擾信號后,能讓微機正確接受信息。

  在輸出端,r5和c7關系到igbt開通的快慢和開關損耗,增加c7可以明顯地減小dic/dt。首先計算柵極電阻:其中ion為開通時注入igbt的柵極電流。為使igbt迅速開通,設計,ionmax值為20a。輸出低電平vol=2v。可得

  

 

  c3是一個非常重要的參數,最主要起充電延時作用。當系統啟動,芯片開始工作時,由于igbt的集電極c端電壓還遠遠大于7v,若沒有c3,則會錯誤地發出短路故障信號,使輸出直接關斷。當芯片正常工作以后,假使集電極電壓瞬間升高,之后立刻恢復正常,若沒有c3,則也會發出錯誤的故障信號,使igbt誤關斷。但是,c3的取值過大會使系統反應變慢,而且在飽和情況下,也可能使igbt在延時時間內就被燒壞,起不到正確的保護作用, c3取值100pf,其延時時間

  

 

  在集電極檢測電路用兩個二極管串連,能夠提高總體的反向耐壓,從而能夠提高驅動電壓等級,但二極管的反向恢復時間要很小,且每個反向耐壓等級要為1000v,一般選取byv261e,反向恢復時間75 ns。r4和c5的作用是保留hclp-316j出現過流信號后具有的軟關斷特性,其原理是c5通過內部mosfet的放電來實現軟關斷。圖3中輸出電壓vout經過兩個快速三極管推挽輸出,使驅動電流最大能達到20a,能夠快速驅動1700v、200-300a的igbt。

  3.3驅動電源設計

  在驅動設計中,穩定的電源是igbt能否正常工作的保證。如圖4所示。電源采用正激變換,抗干擾能力較強,副邊不加濾波電感,輸入阻抗低,使在重負載情況下電源輸出電壓仍然比較穩定。

  

 

  當s開通時,+12v(為比較穩定的電源,精度很高)電壓便加到變壓器原邊和s相連的繞組,通過能量耦合使副邊經過整流輸出。當s關斷時,通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源,實現變壓器磁芯的復位。555定時器接成多諧振蕩器,通過對c1的充放電使腳2和腳6的電位在4~8v之間變換,使腳3輸出電壓方波信號,并用方波信號來控制s的開通和關斷。+12v經過r1,d2給c1充電,其充電時間t1≈r1c2ln2;放電時間t2=r2c1ln2,充電時輸出高電平,放電時輸出低電平。所以占空比=t1/(t1+t2)。

  變壓器按下述參數進行設計:原邊接+12v,頻率為60khz,工作磁感應強度bw為o.15t,副邊+15v輸出2a,-5v輸出1 a,效率n=80%,窗口填充系數km為o.5,磁芯填充系數kc為1,線圈導線電流密度d為3 a/mm2。則輸出功率

  pt=(15+o.6)×2×2+(5+o.6)×1×2=64w。

  變壓器磁芯參數

  

 

  由于帶載后驅動電源輸出電壓會有所下降,所以,在實際應用中考慮提高頻率和占空比來穩定輸出電壓。

  4 結語

  本文設計了一個可驅動l700v,200~300a的igbt的驅動電路。硬件上實現了對兩個igbt(同一橋臂)的互鎖,并設計了可以直接給兩個igbt供電的驅動電源。

 

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