大功率IGBT驱动技术Word格式.docx
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2.2多功能型
多功能型的大功率IGBT驱动保护电路除了提供直接驱动IGBT的功能之外,还可以提供完善的保护功能,如hcpl-316j、m57962等,如图2和图3所示,它们一般采用混合厚膜封装技术或者采用集成封装技术,可以直接兼容cmos/ttl电平。
工程师进行设计时一般只需要配上隔离电源电路、死区控制电路、逻辑处理电路、门极驱动电阻等,就可以成为一个较为完整的大功率IGBT驱动保护电路。
m57962、hcpl-316j等驱动器本身具有较完整的保护功能,集成度高。
其最大的优点是使开发人员的工作得到简化,而且可靠性高,非常适于多路驱动的场合。
但是由于它们的驱动能力也有限,如果驱动更高功率的IGBT,也需要外接
更大的功率缓冲电路。
m57962hcpl-316j等驱动器一般提供软关断功能,在需要保护IGBT退出过流、短路状态时,这个功能非常重要,它可以使IGBT的NPNF四层结构免于进入“可控硅栓锁”状态。
此外像hcpl-316j等驱动器还具备欠压锁定保护功能,这大大简化了设计者的工作。
2.3全功能型
全功能型的大功率IGBT驱动保护电路除了具有各类完善的保护功能之外,还都无一例外地配置了dc/dc隔离电源,如2SD315AI(concept)、skypertmpro(semikron)、2ED300C17-S(eupec)等,如图4、图5和图6所示。
都是目前国际上著名的全功能型驱动器
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图2hcpl-316j原理框图及引脚示意图
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图3m57962原理框图及引脚示意图
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图42sd315Ai原理框图
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图62ed300c17-s原理框图
3大功率IGBT驱动保护电路的功能
根据不同的应用需要,大功率IGBT驱动保护电路可以由多个功能组成一个相对完整的独立子系统。
该系统的主要任务是完成“接口”工作:
3.1隔离功能
由于产生波形逻辑的控制电路与功率主回路之间存在电平差异,而且功率主
回路存在非常高的电磁干扰,这就需要进行信号传递的隔离及电源供给的隔离。
信号隔离有两种方式:
光耦隔离方式及脉冲变压器隔离方式。
光耦隔离方式的优点是转换电路简单,易于应用。
由于上升延时及下降延时在500ns左右的量级,所以适用在频率较低的领域。
如果需要故障回传到主控系统,则需要另外一路光耦。
为了方便使用,也有将这两个光耦集成在一个封装之内的产品,如hcpl-316j等等。
目前市场上光耦隔离方式的最大工作隔离电压Viorm在3500V左右。
脉冲变压器隔离方式的转换电路相对复杂,一般需要使用专用集成电路,但是由于其运行速度高,适用在频率较高的领域,而且故障回传不需要其它绕组,隔离通道相对简单。
只要空间位置允许,变压器隔离可以因为绕制工艺的改进做到非常高。
此外一些对动态的隔离有要求的应用场合,要求隔离电路的dv/dt
耐量非常高,而使用脉冲变压器隔离则可以达到75kV/卩s以上的水平。
电源供给隔离一般米用不共地的dc/dc变换器,其变压器隔离耐压一般是母线电压的3倍以上,变换器的二次侧必须能够提供正负电源。
3.2死区隔离功能
驱动死区隔离的设置(见图7阴影部分)对于半桥、全桥主回路来说是非常重要的。
它一般是使用r、c电路来实现的。
r、c电路的优点是简单,抗干扰能力强,缺点是容易受温度影响,成本较高,需要占据宝贵的pcb板件的面积,死区时间的调整间隔偏大。
针对上述r、c电路的缺点,很多具有开发能力的用户愿意使用“数字”的方式来获得死区。
其最大的优点是温度稳定性好,由于调整步距仅仅与时钟信号频率有关,可以做到很精细,利于优化算法及主回路系统。
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+15V
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1
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OV
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A
+15V
2
-15V
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图7上桥臂A与下桥臂b的死区示意
3.3驱动功率的缓冲功能
对于输出额定电流在100A以上的IGBT来说,虽然属于具有高阻输入的场控器件,但是由于寄生电容的存在以及弥勒效应,在短时内(微秒或亚微秒)需要向IGBT的输入端输入或抽出较大的电流,从几百毫安到十几个安培不等,视IGBT及主回路的参数来确定。
因此在功率容量上普通的逻辑电路及逻辑缓冲电路均无法胜任,需要专门设计的功率缓冲电路来解决。
这一类功率缓冲电路基本都是采用图腾柱输出级。
很多产品选用双极型器件如m57962l等,也有选用单极型器件的如2SD315AI等,更有采用混合型器件,其上管选用双极型器件,下管选用单极型器件如hcipl-316j等等。
为了满足瞬间能够源出、吸入十几个安培,去耦电容的选择及布局显得极为重要。
一般选用具有良好高频特性的独石电容,在pcb布局时要求尽量紧靠图腾柱。
功率缓冲级的电源供给的容量也是非常重要的,视IGBT的门极电荷以或门极电容参数以及主回路工作频率来确定。
功率缓冲级电路如图8所示,它的隔离耐压水平与信号传递电路的耐压水平要求等同。
图8功率缓冲级电路
3.4检测及保护功能
341过流检测及保护
一般采用间接电压法。
当IGBT出现过流情况时,Vce饱和压降增大,因此通过检测IGBT导通时的Vce饱和压降与设定的阈值进行比较就可以判断是否出现过流。
为了提高抗干扰能力,出现了很多的基准设置及比较方法,避免功率主回路出现频繁“打嗝”甚至停机的现象。
此外如何安全地关断一只甚至多只并联处于过流之中的IGBT也需要仔细考虑,目前多数采用软关断方法避免IGBT进入“栓锁”状态。
检测电路如图9所示。
图9过流检测电路
342欠压检测及保护
一般情况下,IGBT栅极电压Vge需15V才能使IGBT进入深饱和;
如果Vge低于13V,在大电流时,ce之间过高的导通压降将使IGBT芯片温度急剧上升;
当栅极电压低于10V,IGBT将工作于线性区并且很快因过热而烧毁;
因此需要对Vge的电压进行欠压检测。
在2ed300c17-s、skypertmpro等全功能型驱动器的二次侧上都集成了该功能。
3.4.3温度检测及保护
在一些公司生产的IGBT模块上,还集成了温度传感器,只需将该温度传感器的信号连接到驱动器的相应检测电路上,就能实现驱动器对IGBT温度的检测。
由于传感器安放在IGBT的芯片附近,可以更加真实地反映出IGBT芯片的实际温度,所以可以更加可靠地保护IGBT模块。
344保护功能的逻辑处理
一旦IGBT模块出现了上述的任何一个故障,都需要进入保护状态,所以保护功能的逻辑处理是最关键的一环,也是最难于设计的一环,而且一般也是由设计工程师自己来开发完成的。
它的处理原则是:
当某一只IGBT出现了故障,要求保护逻辑处理做到:
(1)尽可能不停机;
(2)要防止事故进一步扩大;
(3)要求对报警信号进行真假的甄别。
这需要采取软件与硬件结合设计的方法来实现“智能保护逻辑处理”。
系统不同,管理保护的逻辑处理设计也不同。
一般采取的措施是:
首先安全关断“问题
IGBT'
然后根据系统的要求判断是否需要关断更多的IGBT,直至停机。
同时
要求每一个步骤都设定一个合适的延时,以便滤除伪信号。
3.5短脉冲抑制功能
在驱动信号的传输过程中,由于干扰、计算误差等原因会造成在驱动信号上出现一些短脉冲,也叫“毛刺”;
如果驱动器按照这些短脉冲进行相应的IGBT开关,则会造成输出波形变差,因此必须对此类短脉冲进行抑制。
控制伸;
驰动佶号
图10短脉冲抑制功能
4技术展望
4.1门极驱动电压提升
目前IGBT的开通电压一般采用+15V电压源驱动,有人已经提出发展恒流源驱动的方法,认为可以克服IGBT的“米勒”电容效应,使IGBT的导通更加可靠。
IGBT的关断电压从最初的0V,到后来的-7V左右,低频下普遍使用-15V。
4.2逐个脉冲软关断
现在大部分大功率IGBT驱动保护电路在正常运行时的关断方式为硬关断,只有在出现过流的情况下才会采用软关断的方式。
而在感性负载情况之下,IGBT关断之后为了保持电流的连续性,必然会有一只续流二极管导通,此时会在功率母线的寄生电感上产生一个尖峰电压:
SV=lxdi/dt,除了寄生电感I及关断电流的大小影响之外,如果硬关断越快,艮卩dt越小,则尖峰电压SV越高。
而对于应用在较低频状况下的大功率IGBT,由于电流在几百安培,所以逐个脉冲进行软关断将会大大降低尖峰电压SV,使尖峰电压SV产生的干扰会大幅减小,可以提高系统的可靠性。
一些IGBT生产厂商也在着手开发具有软关断特性的IGBT芯片。
4.3过流检测保护阈值(参考基准)设置方法
当前大部分大功率IGBT驱动保护电路对过流检测的保护阈值只有一个,一般常规值设在7V〜9V。
为了防止误报警,出现了一些不同的阈值设置方法。
变阈值设置方法:
在IGBT从截止状态刚刚进入饱和状态期间(约几个微秒至十几个微秒),保护阈值可以从15V(或者更高)按照一定的曲线降至常规设置值,可以避免在此期间的扰动的伪信号造成误报警;
多阈值设置方法:
为了更为符合实际的工况应用情况,降低停机率,可以采用多阈值保护。
比如IGBT的饱和压降达到第一阈值时,采用降低栅极电压的处理方式;
达到更高的第二阈值时,才彻底关断IGBT。
4.4更加贴近驱动对象
目前,针对各种工况下使用的IGBT,例如高压变频器、ups、逆变焊机等应用场合,均有不同的大功率IGBT驱动保护电路推出。
这些驱动器的原理大致相同,但更加贴进各自的驱动对象。
4.5与智能功率模块(IPM)分别在不同的功率领域并行发展
IPM内部集成了驱动电路,只需提供控制信号即可工作,主要应用中小功率场合;
而大功率IGBT驱动保护电路一般用于大功率场合,对大功率的IGBT进行驱动。
随着IGBT生产工艺,硅片技术、驱动技术的不断进步和发展,大功率IGBT驱动保护电路与IPM均在各自的功率领域并行发展。
5大功率IGBT驱动保护电路发展所受到的的限制
成本价格的限制,是对大功率IGBT驱动保护电路发展的最大限制。
一个好
的大功率IGBT驱动保护电路面对要解决的问题较广泛、复杂,可靠性的要求却非常之高。
所以成本因素极大地限制了全功能型大功率IGBT驱动保护电路的发展,而价格适中的多功能型大功率IGBT驱动保护电路是大多数工程师们的首选产品。
对于肯在主回路上进行电流直接取样投资的工程师来说,单一功能的驱动电路则是他们的首选。
6结束语
大功率IGBT驱动保护技术的发展完全是受到IGBT发展的影响而发展的,随着半导体技术的进一步发展,新的器件乃至新型的IGBT的诞生,以及新的主回
路拓扑的诞生,会出现更加新颖的驱动保护技术。
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