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IGBT集成驱动电路及其功率扩展
第28卷第3期2005年9月
电子器件
ChineseJournalofElectronDevices
Vol.28No.3Sep.2005
IntegrateDriverCircuitsofIGBTandExtendedPower
DENGYu-hang,HANMing-wu,YANGWei
(DepartmentofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China
Abstract:
Accordingtothecharacteristicsofhigh-powerIGBTinpracticaluse,fivecommonintegrateIGBTdrivecircuitsEXB841,M57962,HL402,HCPL316J,2SD315Aareintroduced.Theworkingprincipleandprotectioncourseforovercurrentofeachcircuitareanalyzed.Avarietyofextendedcircuitsfordrivinghigh-powerIGBTarepresent.
Keywords:
IGBT;drivecircuit;overcurrentprotection;extendedcircuit
EEACC:
6140
IGBT集成驱动电路及其功率扩展
邓宇航,韩明武,杨威
(哈尔滨工业大学电气工程系,哈尔滨150001
摘要:
针对大容量IGBT的实际应用特点,介绍了EXB841,M57962,HL402,HCPL316J,2SD315A五种常用的集成专用驱动电路,分析了各自的工作原理和过电流保护动作过程,给出了多种适于驱动大容量IGBT的实用扩展电路。
关键词:
IGBT;驱动电路;过电流保护;扩展电路
中图分类号:
TP277;TN941文献标识码:
A文章编号:
1005-9490(200503-053903
经过20多年的发展,IGBT表现出了很强的生命力,其开关性能经历五代改进也日臻完善,同时,IGBT的容量等级也在快速提升,单管电压已达6500V,无均流并联电流已达3300A,已成为基本上取代了GTR,并在很多应用领域挑战GTO的电力半导体开关器件[1-2]。
驱动电路的结构和参数会对IGBT的运行性能产生显著影响,如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗Dv/Dt的能力等。
因此,根据IGBT的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥IGBT的性能是十分重要的[3-4]。
1IGBT驱动电路的基本要求
IGBT栅极驱动电路应具备如下基本功能:
1提供足够的栅极电压来开通IGBT并在开通期间保持这个电压。
2在最初开通阶段,提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度。
3在关断期间,提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态Dv/Dt的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗。
4在IGBT功率电路和控制电路之间提供电气隔离。
对IGBT逆变器,一般要求的电气隔离为2500V以上。
5在短路故障发生时,驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行IGBT
保护,并发出故障信号到控制系统
收稿日期:
2005-02-05
作者简介:
邓宇航(1980-,男,硕士研究生,研究方向为电力电子技术,dengyh@hit.edu.cn;
韩明武(1954-,男,副教授,研究方向为大功率电能开关变换的控制和应用技术,hanmw6361@sohu.com
2几种常用IGBT集成驱动电路
目前IGBT的驱动电路主要有分立元件、集成电路和厚膜集成电路等形式。
集成和厚膜驱动电路的使用更加方便,但各种产品的功能、性能和适用条件也各不相同。
2.1EXB841厚膜驱动电路
日本FUJI公司生产的EXB840/841具有单电源、正负偏压、过流检测和软关断保护等主要功能。
EXB841较840的驱动能力更强,可以直接使用,也可以通过电路扩展来驱动大容量IGBT,如图1所示扩展电路,可驱动1000A/1200V等级的IG-
图1由EXB841扩展的大容量IGBT驱动电路
由于驱动大容量的IGBT需要提供较大的动态栅极驱动电流以保证其开关速度,而EXB841内部的驱动管输出能力有限,尤其是在开关频率较高的情况下,必须通过外部驱动管来扩展功率。
EXB841的负偏压是由内部的5.1V稳压管提供的。
但由于内部三极管存在导通电阻和压降,实际其负偏压约在4.5V左右。
当母线电压较高时(如>600V,容易在负栅压信号中出现很大的尖峰干扰,引起IGBT误动作。
图1中外接的稳压管D2(5.6V用来保证足够的负偏压。
EXB841的过流检测是依据IGBT的集射极饱和电压与通态电流成比例的原理设计的。
IGBT导通时,通态电流增大,UCE增高,当UCE高于6脚检测电平时,过流保护启动,5脚输出过流保护信号,延时一定时间后软关断IGBT。
U6=UCE+UD(检测二极管D1压降,对于不同容量的IGBT及不同的保护过流值,扩展后可加入与D1串联的稳压管来提高过流检测电平。
2.2M57962厚膜驱动电路
M57962是日本Mitsubishi电气公司的厚膜驱动电路产品。
与EXB841同理,可进行驱动输出功率的扩展,如图
2所示。
图2由M57962扩展的大容量IGBT驱动电路
M57962采用+15V和-10V电源供电,IGBT关断时可输出-10V的偏压,在频率较高,负载过大,现场环境恶劣的情况下,关断更为可靠。
M57962具有封闭性软关断功能。
通过外部电容可设定3-6μs的允许短路时间,以滤除瞬间尖
峰扰动;超出允许时间后,立即降低栅极电压进行软关断并发出过流保护信号,同时启动内部定时器;延时l~2ms后,在确认保护电路已经动作(输入低电平后,才会解除保护动作,恢复正常工作。
因此软关断过程不会被输入的关断信号所打断。
栅极电阻的选择对IGBT驱动相当重要,影响着开通与关断的性能。
RG小时,可减小开关时间与开关损耗,但浪涌电压高;RG大时,则相反。
一般先根据厂家手册上推荐的数据,在1倍与10倍之间选取,再经试验波形来分析确定。
2.3HL402厚膜驱动电路
HL402A(B是陕西高科电力电子有限责任公司的厚膜产品,其内部含一个具有静电屏蔽层的高速光耦合器,因而使HL402具有抗干扰能力强,响应速度快,信号隔离电压高等优点。
HL402的输出驱动电压幅值较高,其正
向驱动电压可达15~17V,负向驱动电压可达10~12V,适合于驱动150A
/1200V功率等级的IGBT。
HL402的典型接线如图3所示[
5]
。
图3由HL402构成的大容量IGBT驱动电路
HL402具有先降栅压、后软关断的双重保护功能,其降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过外接电容器C5、
C6、C7进行整定,因而能适应不同饱和压降IGBT的驱动和保护。
在软关断及降栅压的同时还将输出报警信号,以实现对封锁脉冲
或分断主回路的保护。
2.4HCPL316J集成驱动电路
HCPL316J是美国HP公司生产的采用标准SOL-16表面贴装的集成驱动电路产品,典型的应用电路如图
4所示。
图4由HCPL316J集成电路构成的驱动电路
HCPL316J的输出部分多采用+15V和-5V双电源供电,用于产生正负脉冲输出,输出管为三重复合达林顿结构,集电极开路输出,可以直接驱动150A/1200V的IGBT,最大开关速度500ns,并具有驱动信号光耦隔离,COMS/TTL电平兼容,欠压保护,过流软关断等功能。
HCPL316J输入、输出部分各自排列在集成电路的两边。
输入部分需要1个5V电源,由PWM电路产生的控制信号加在第1脚,RESET脚低电平有效。
14脚通过二极管D1检测IGBT集电极电压来判断过流故障,阀值为7V。
发生过流时,IGBT软关断,故障信号输出由第6脚送至PWM的封锁端,用以及时关闭PWM输出。
2.52SD315A驱动模块
瑞士CONCEPT公司推出的2SD315A是一种集成度很高的驱动模块,内部包含两路IGBT驱动电路,可以用于驱动1700V的IGBT,它具有安全性、智能性与易用性的特点。
2SD315A的内部电路主要可分为三大功能模块,如图5所示。
第一块是LDI(LogicToDriverin-terface,逻辑驱动转换接口,它主要用于接收控制侧的PWM信号,经过处理后传送给下一级;第二块是IGD(IntelligentGateDriver,智能门极驱动器,通过高频隔离变压器从LDI接收控制信号,经放大等处理后输出±15V/±15A(瞬时电流的驱动信号,用于驱动侧大功率IGBT的控制,每只2SD315A内部包含两个IGD模块;第三块是输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器,它的主要功能是给两路输出通道提供彼此隔离的供电。
图中的VDD和VDC都为+15V,分别为控制侧输入电路和DC/DC转换器供电,驱动模块使用单一的15V
电源产生+15V和-15V电压,用于驱动外部IG-BT。
采用变压器耦合隔离,工作频率可高于100kHz,输入输出间交流耐压可达4
000V。
图5由2SD315A驱动模块构成的驱动电路
以上讨论的几种驱动电路均具有一定的内部保护功能,实际应用时还需要根据具体的电路拓扑结构、参数以及分布参数设置有效的缓冲电路,以减小开关器件的电压、电流和热应力。
必要时还应外加独立的电压、电流和热检测和保护电路。
3结论
文中讨论的5种驱动电路各有功能特点和适用条件。
在短路故障发生时,按照合理的时序进行软关断动作,是避免故障扩大化并导致IGBT损毁的普遍措施。
在开、关过程中,提供足够的动态栅极驱动电流是提高IGBT开关速度,降低开关损耗的关键,用于驱动大容量IGBT时,可以通过外部电路扩展其驱动功率。
参考文献:
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[3]盛祖权,张立.IGBT模块驱动及保护技术[J].电焊机,2000,
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[4]俞阿龙.IGBT在大功率DC-DC全桥变换器中的驱动与保护
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[5]李宏.具有自保护功能的IGBT厚膜集成电路HL402A(B
[J].国外电子元器件,2001,(11.
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- IGBT 集成 驱动 电路 及其 功率 扩展
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