igbt驅(qū)動(dòng)

一個(gè)理想的 igbt 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有以下基本性能: (1)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) ,能為 igbt 柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng) igbt 在硬開關(guān)方式下工作時(shí) ,會(huì)在開通及關(guān)斷過程中產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。這個(gè)過程越長(zhǎng) ,開關(guān)損耗越大。器件工作頻率較高時(shí) ,開關(guān)損耗甚至?xí)蟠蟪^ igbt 通態(tài)損耗 ,造成管芯溫升較高。 這種情況會(huì)大大限制 igbt 的開關(guān)頻率和輸出能力 ,同時(shí)對(duì) igbt的安全工作構(gòu)成很大威脅。 igbt的開關(guān)速度與其柵極控制信號(hào)的變化速度密切相關(guān)。igbt 的柵源特性呈非線性電容性質(zhì) ,因此 ,驅(qū)動(dòng)器須具有足夠的瞬時(shí)電流吞吐能力 ,才能使 igbt 柵源電壓建立或消失得足夠快 ,從而使開關(guān)損耗降至較低的水平。 另一方面 ,驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻也不能過小 ,以免驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同時(shí) ,過短的開關(guān)時(shí)間也會(huì)造成主回路過高的電流尖峰 ,這既對(duì)主回路安全不利 ,也容易在控制電路中造成干擾。 ( 2) 能向 igbt提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?。 igbt導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān) ,在漏源電流一定的情況下 , u 越高 , u 就越低 ,gs ds器件的導(dǎo)通損耗就越小 ,這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是 并非越高越好 一般, ugs ,不允許超過 原因是一旦發(fā)生過流或短路20v , ,柵壓越高 則電流幅值越高 損壞的可能, ,igbt性就越大。通常 ,綜合考慮取 +15v 為宜。 (3) 能向 igbt 提供足夠的反向柵壓。在igbt關(guān)斷期間 ,由于電路中其它部分的工作 ,會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)。這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的 igbt 處于微通狀態(tài) ,增加管子的功耗 ,重則將使逆變電路處于短路直通狀態(tài)。因此 ,最好給應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的igbt加一反向柵壓(幅值一般為 5~15v) ,使igbt在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。 (4)有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設(shè)備中 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系 而,igbt ,控制電路一般不希望如此。另外許多電路(如橋式逆變器)中的 的工作電位差別很大igbt ,也不允許控制電路與其直接耦合。因此 驅(qū)動(dòng),器具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作 ,同時(shí)有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但是 ,這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正常傳輸。 (5) 具有柵壓限幅電路 ,保護(hù)柵極不被擊穿。igbt柵極極限電壓一般為 ±20v ,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。(6)輸入輸出信號(hào)傳輸無延時(shí)。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后 ,另一方面能提高保護(hù)的快速性。 (7)電路簡(jiǎn)單 ,成本低。 (8) igbt損壞時(shí) ,驅(qū)動(dòng)電路中的其它元件不會(huì)隨之損壞。igbt燒毀時(shí) ,集電極上的高電壓往往會(huì)通過已被破壞的柵極竄入驅(qū)動(dòng)電路 ,從而破壞其中的某些元件。 由于 igbt 承受過流或短路的能力有限 ,故 igbt驅(qū)動(dòng)器還應(yīng)具有如下功能: (9)當(dāng) igbt處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí) ,能在 igbt允許時(shí)間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流 ,實(shí)現(xiàn) igbt 的軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過高的 di/ dt。 在雜散電感的作用下 ,過高的 di/ dt 會(huì)產(chǎn)生過高的電壓尖峰 ,使 igbt 承受不住而損壞。同理 ,驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響 ,即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí) ,無論此時(shí)有無輸入信號(hào) ,都應(yīng)無條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。 在各種設(shè)備中 ,二極管的反向恢復(fù)、電磁性負(fù)載的分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在igbt開通時(shí)造成尖峰電流。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過流的能力 ,在尖峰電流過后 ,應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓 ,保證電路的正常工作。 (10)在出現(xiàn)短路、過流的情況下 ,能迅速發(fā)出過流保護(hù)信號(hào) ,供控制電路進(jìn)行處理。

1 確定igbt門極容量 在設(shè)計(jì)和選購(gòu)igbt 驅(qū)動(dòng)器之前,必須首先知道igbt 的門極負(fù)荷q,這是一個(gè)十分重要的參數(shù),但在igbt 的技術(shù)參數(shù)中生產(chǎn)廠家一般并不直接給出,而需要我們借助其它參數(shù)得到。igbt 具有mosfet 的輸入級(jí),在igbt的技術(shù)資料中往往有一個(gè)參數(shù)ciss,一般我們把它叫作輸入電容,該電容的測(cè)試往往是在ugs=0,uos=25v,f=1mhz 的情況下進(jìn)行,由于密勒效應(yīng), 該值往往比在ugs= o v 時(shí)要小,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),igbt 的輸入電容一般滿足下面的公式 cin≈5ciss 一般simens 和 eupec 公司的igbt 滿足上述公式。 知道了igbt 的輸入電容cin,門極的負(fù)荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表門極的驅(qū)動(dòng)電壓, 大多數(shù)的igbt 開通電壓+15v,關(guān)斷電壓-5v,因而△u= 2 0 v , 如應(yīng)用十分廣泛的e x b 8 4 1 系列。高電壓、大電流igbt 往往開通關(guān)斷均為15v,因而△ u= 3 0 v 。 2 開關(guān)頻率確定 開關(guān)頻率的大小不僅影響系統(tǒng)的控制精度,而且影響系統(tǒng)的整體性能,如運(yùn)行效率,噪聲指標(biāo)。開關(guān)頻率是所有電力電子變換器的一個(gè)重要參數(shù)。 根據(jù)igbt 的門極容量,儲(chǔ)存在igbt 輸入電容中的能量可以計(jì)算得到 每個(gè)脈沖周期柵極充放電各一次,因而驅(qū)動(dòng)一只igbt 的功率為: f 為開關(guān)頻率。驅(qū)動(dòng)器的平均輸出電流iout可以這樣得到: p=iout * △u 比較上面兩式q=iout / f 驅(qū)動(dòng)器的平均電流在數(shù)據(jù)文檔可以找到,則igbt的最大允許開關(guān)頻率可以得到: 。 3 門極驅(qū)動(dòng)電阻rg的選取 igbt 的開關(guān)時(shí)間是由驅(qū)動(dòng)器對(duì)igbt 的輸入電容的充放電來控制, 增加門極輸出電流,igbt 開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短,開關(guān)損耗也會(huì)降低, rg主要是用來限制門極輸出的降值電流, rg可由下式確定: rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)文檔中找到。有些情況下,充放電峰值電流不同,門極電阻可以分別選取。 4 igbt驅(qū)動(dòng)器的比較選擇 4.1 光電耦合和變壓器耦合式比較 光電耦合隔離式采用直流電源,輸出脈沖寬度可調(diào)。通過檢測(cè)集電極電壓實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。具有使用方便穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是雙側(cè)均采用電源,電路復(fù)雜。比如exb841驅(qū)動(dòng)器,光電耦合器輸入與輸出之間耐壓一般較低為交流2500v,但實(shí)際使用中設(shè)備承受力不符合其條件,給使用帶來限制。另外,一旦igbt 燒壞,驅(qū)動(dòng)器受到損壞給維修帶來不便且不經(jīng)濟(jì)。 變壓器耦合隔離式不用專設(shè)的電源,線路簡(jiǎn)單, 輸入輸出間耐壓高, 成本低、響應(yīng)快.缺點(diǎn)是igbt 關(guān)斷期間得不到持續(xù)的反向門極電壓,抗干擾能力差,且輸出脈沖寬度不可調(diào),不能實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù),并且由于漏感的存在使繞組的繞制工藝復(fù)雜容易出現(xiàn)振蕩。 4.2 igbt 驅(qū)動(dòng)器選擇 目前市場(chǎng)上可見的驅(qū)動(dòng)器:光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)器有日本富士exb841,國(guó)內(nèi)落木源電子ka101,日本英達(dá)hr065等。變壓器隔離式驅(qū)動(dòng)器有美國(guó)unitrode公司uc3724-3725系列,還有專用的用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上2個(gè)igbt的美國(guó)ir公司的ir2110及國(guó)內(nèi)落木源電子的kd303，還有德國(guó)西門子公司的skh121等?？晒┻x用的范圍很廣,應(yīng)用方便。但使用時(shí)應(yīng)注意過電流問題, 比如exb841 系列驅(qū)動(dòng)器,采用era34-10 型快速二極管, 導(dǎo)通電壓為3v , 反向耐壓采用與igbt 相同的等級(jí).可以實(shí)現(xiàn)自身過電流保護(hù),但若igbt 過電流對(duì)其壽命是有影響的。解決辦法是: ①反串穩(wěn)壓管, 限制igbt 的電流為200a,使工作穩(wěn)定可靠且電路簡(jiǎn)單;②采用電流傳感器進(jìn)行直接限流.上述幾種驅(qū)動(dòng)器由窄脈沖過電流無法限制,應(yīng)采用別的措施,在此不一一論述。

目前 ,供 igbt 使用的驅(qū)動(dòng)電路形式多種多樣 ,各自的功能也不盡相同。從綜合的觀點(diǎn)看 ,還沒有一種十全十美的電路。 從電路隔離方式看,igbt驅(qū)動(dòng)器可分成兩大類,一類采用光電耦合器,另一類采用脈沖變壓器,兩者均可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸及電路的隔離。 下面以日本富士公司的 exb841 驅(qū)動(dòng)器為例 ,簡(jiǎn)單說明光電耦合驅(qū)動(dòng)器的工作原理(見圖) 。圖中 + 20v驅(qū)動(dòng)電源通過r1 和v5 分為+15v及 + 5v兩部分。當(dāng)來自控制電路的控制脈沖進(jìn)入光電耦合器v1 后 ,放大器使v3 導(dǎo)通 ,gbt柵極即得到一個(gè) +15v 驅(qū)動(dòng)信號(hào)并導(dǎo)通。當(dāng)控制信號(hào)消失后 ,v4 導(dǎo)通 ,此時(shí) igbt 即得到一個(gè) - 5v 的柵源電壓并截止。igbt在導(dǎo)通期間過流時(shí) ,會(huì)脫離飽和狀態(tài) ,此時(shí) , uds升高。 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的保護(hù)電路通過 v6 檢測(cè)到這一狀態(tài)后 ,一方面在 10μs 內(nèi)逐步降低柵壓 ,使 igbt進(jìn)入軟關(guān)斷狀態(tài) ,另一方面通過光耦 v2 向控制電路發(fā)出過流信號(hào)。 光電耦合驅(qū)動(dòng)器的最大特點(diǎn)是雙側(cè)都是有源的 ,由它提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制 ,而且可以較容易地通過檢測(cè) igbt通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)各種情況下的過流及短路保護(hù) ,并對(duì)外送出過流信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外都趨向于把這種驅(qū)動(dòng)器做成厚膜電路的形式 ,因此具有使用較方便 ,一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)。其不足之處是需要較多的工作電源。 例如 ,全橋式開關(guān)電源一般需要四個(gè)工作電源 ,從而增加了電路的復(fù)雜性。驅(qū)動(dòng)器中的光電耦合器盡管速度較高 ,但對(duì)脈沖信號(hào)仍會(huì)有 1μs左右的滯后時(shí)間 ,不適應(yīng)某些要求較高的場(chǎng)合。 光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流2500v ,這對(duì)某些場(chǎng)合是不夠的。例如 ,許多逆變焊機(jī)的輸出直接反饋到控制電路 ,而國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)卻規(guī)定焊機(jī)輸入輸出之間應(yīng)能承受交流 電壓 從而給電路的設(shè)計(jì)增加了困4000v ,難。另外 一旦 燒壞 驅(qū)動(dòng)器通常也隨之, igbt ,燒毀 從而增加了維修的復(fù)雜性及費(fèi)用。 ,