IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试.docx
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IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试
IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试
该文章讲述了IGBT驱动保护电路的详细的设计与如何测试应用
1 引言 (欢迎来电咨询 变频器维修|:
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IGBT集功率MOSFET和双极型功率晶体管的优点于一体,具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快且通态压降低,易高压大电流等特点。
在IGBT的应用中,驱动和保护一直都是研究的关键技术,特别是过流保护方面。
IGBT器件本身以及它在电路中运行条件的特点,决定了其过流保护和其他开关器件相比有很大的差别。
IGBT的过流保护电路直接关系到整个系统的工作性能和运行安全。
2 IGBT驱动电路
IGBT的开关特性
由图1所示IGBT的等效电路和器件的内部结构可知,IGBT的开关控制是通过和MOSFET类似的栅极结构来完成的,因此IGBT和MOSFET的开关进程大致相似。
图2为IGBT硬开关时VGE、ICE和VCE的波型。
开通时,当VGE达到开通门限后,到t2时间,ICE达到最大值,VCE下降进程中,由于和MOSFET一样的密勒电容CGC的作用,栅极电压大体恒定,延缓了IGBT的开通进程,当VCE下降结束,ICE达到稳态值,CGC作用消失,VGE以较快的上升率达到最大值。
为了降低此效应,应该使栅极驱动源的内阻足够小,增加流经CGC的电流,加速开通速度。
关断时,同样由于密勒电容的效应,当VCE上升的过程中,VGE有一段近似恒定的时间,影响关断的过程。
另外,由于IGBT是双极性器件,在关断过程中有一个少子复合过程,造成关断时的拖尾电流,这是IGBT和MOSFET开关最大的不同点,如图2所示,这也是影响IGBT工作频率的最主要原因。
IGBT驱动电路的要求
开通正栅压 (欢迎来电咨询网址:
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IGBT静态特性曲线所示,IGBT正栅压VGE越大,导通电阻越低,损耗越小。
但是,如果VGE过大,一但IGBT过流,会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应,造成IGBT失效。
相反如果VGE过小,可能会使IGBT的工作点落入线性放大区,最终导致器件的过热损坏,比较理想的IGBT驱动电压范围是12V。
关断栅压选择
IGBT的关断过程可能会承受很大的dv/dt,伴随关断浪涌电流,干扰栅极的关断电压,可能造成器件的误开通。
为提高驱动电路的抗干扰能力,在关断时栅极加适当的负偏压,一般取为-10V。
栅极串联电阻Rg的选择
从IGBT的开关特性的分析可以看出,Rg直接影响IGBT的工作情况。
为提高开关频率,Rg取值应该尽量小。
但如果Rg取值过小,会导致栅射极之间的充放电时间常数小,开通瞬间电流较大,从而损坏IGBT;而若Rg取值过大,虽然在抑制dv/dt方面很有效果,但增加了IGBT的开关时间和开关损耗,严重影响IGBT的性能和工作状态。
Rg的取值大概是十几欧到几百欧之间,具体的值应该根据应用的实际情况选取最佳值。
3 驱动电路的保护
过流保护
过电流损坏原因
IGBT内部有寄生晶闸管,在规定漏极电流范围内,其产生的正偏压不足以使晶体管导通,当漏极电流大到一定程度,正偏压足以使晶体管导通,近而使寄生晶闸管开通,栅极失去控制,发生擎柱效应。
此时关断无效,集电极电流很大致使IGBT损坏。
当电流还未达到擎柱效应所需电流大小时,如果IGBT运行指标超过SOA所限定的电流安全边界,也就工作在了过流状态下,长时间过流运行造成很高的功耗,损坏器件。
当最严重的过流情况,短路发生时,电流很快达到额定电流的4-5倍,此时必须尽快关断器件,否则器件将很快损坏。
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过电流的处理
根据IGBT的静态特性,当发生过流时,VCE会随电流急剧变大,可以通过检测VCE的大小来判断是否过流。
当检测到过流发生时,首先采取降栅压措施,从图3的静态特性曲线可知,栅压降低以后,电流显著减小。
这样一方面可以保护器件,另一方面如果确定是短路需要关闭器件时,不用在相当大电流的基础上执行关断,反而引入di/dt的问题。
当降栅压运行一段时间后(一般是10),如果电流恢复正常,可以再加上正常的栅压。
这样可以有效避免假过流造成的误保护。
但如果电流仍然处于过流的状态,可以判断是短路故障,应该马上对IGBT进行关断。
此时绝对不能快速关断,因为短路时电流非常大,直接关断会在线路寄生电感上产生很大的电压,进而损坏器件。
此时应该保证电流变化率不会过大,让栅极电压缓慢降低关断器件。
栅极过压的保护
栅极过压原因
IGBT大多是工作于感性负载状态,当其处于关断状态,而反并二极管正在反向恢复过程时,就会有很大的dv/dt加于CE两端。
由于密勒电容的存在,该dv/dt将在电容上产生瞬间电流,流向栅极驱动电路。
该电流与Rg作用,如果Rg值偏大,使Vge超过IGBT开通门限电压值,器件就会被误触发导通。
栅极过压的处理
在栅射间并接入一个栅射电阻可以解决这个问题。
另外,为了防止栅极驱动电路出现高压尖峰,我们在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管,其稳压值与正栅压和负栅压相同。
这样可以保证栅射电压的稳定,并且能有效地将密勒电容产生的电流通过栅射电阻释放,达到栅极过压保护的目的。
4 电路设计
电路说明
驱动电路如图4所示,整个驱动端电路采用6N137光耦隔离,单电源供电,通过一个5V的稳压管D5完成0V和-5V之间的转换,用一个电源实现了正负电源的功能。
D六、D7、R2组成栅极过压保护电路。
重要的元件如图中编号所示。
D3、D4是快恢二极管,D一、D2是稳压值不同的齐纳稳压管。
正常工作时
驱动信号通过光耦送入驱动电路,通过RS触发器的置位引脚启动电路。
开通时,两个过流保护的延时电路电容C1、C2开始充电,此时推挽电路也将Vg提高到正栅压,IGBT导通,VCE很快下降为导通压降,当C1、C2电压高于VCE时,D3、D4导通,C1、C2电压被钳位,不再上升,也就不会将D1、D2击穿,电路正常工作。
关断时,C3已经被充电,与C3串联的二极管截止,推挽电路输出低电平,由于D5的原因,栅压变为-5V,将IGBT关断。
正常工作时最重要的是C1、C2及其充电电阻的选择,时间常数不能太小,否则会在IGBT开通前将D1、D2击穿进入过流保护状态。
也不能过大,否则在过流时会因为动作时间过长而损坏器件。
过流降栅压运行
一但IGBT过流,VCE急剧上升,超过了C1、C2的钳位电压,D3、D4反向阻断,C1、C2开始充电,当C1的电压高于了D1的击穿电压(D1击穿电压低于D2)时,D1反向击穿,T1导通,与T1串联的稳压管投入电路工作,将此时的栅压降低,实现降压运行。
短路缓慢关断
控制C2电压上升和D2的击穿电压之间的关系,调整D1、D2相继击穿的时间差约为10,如果10内电流恢复正常,那VCE会再降低,D3又导通,C1、C2电压钳位到低电平。
恢复正常工作。
而如果是短路发生,C2的电压会持续上升,直至击穿D2,导通T2,C3马上通过R1和T2放电,栅压开始缓慢降低,降低的速率由C3和R1的时间常数决定,当C3的电压降低到低电平时,改变RS触发器状态,将6N137封锁,输出低电平,完全关断IGBT,从而实现了短路时栅极电压的缓慢降低,缓慢关断了IGBT。
这个过程中最关键是两个保护电路的延时电路参数的选取。
具体IGBT的保护时间设置有很多选择,可以改变电阻电容的组合,也可以改变稳压管的击穿电压,通过实验能得到很好的效果,以满足不同IGBT使用的需要。
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短路保护实验
实验电路如图5所示,先将电容充电,然后启动驱动电路,可以观察短路保护时的波型如图6所示。
其中1是栅极电压波型,2是VCE波型,3、4别离是RS触发器两个输出的波型。
从图中可见,向驱动电路发出启动信号后,RS触发器输出反向,栅极电压上升到开通电压,而VCE由于电容通过IGBT放电,电压猛降,此时,IGBT中流过的电流相当大,处于过流的状态,经过大概10的时间,保护电路开始作用,IGBT进入降压运行阶段,从图中看出,此时从IGBT流过的电流已经明显减小,从电阻流入的电流已经将电容的电压又补充回去,但此时的电流仍然很大,故再经过大约10的时间,电路进入关断阶段,栅极电压开始以一定的斜率下降,趋势很平缓,当栅极电压降到逻辑低的电压值时,触发器状态变化,驱动电路封锁,如图,此时如果要重新开启电路,需要再给出启动信号。
从短路测试中可以看出,该电路能够有效地在过流的时候完成降压运行和缓慢关断的任务,为IGBT的正常工作提供保障。
5 结语
该驱动电路具有隔离驱动,过流保护,过栅压保护等特点。
如果希望电路能正常工作,重要元件的参数需要认真选择,特别是Rg值的选取,在电路上可对Rg部分进行改进,利用二极管分别在开通和关断时得到不同Rg值。
另外,该驱动电路只能对过流和栅极过压起保护作用,对VCE的过压保护需要在主电路中加入缓冲保护电路,才能保证器件的可靠工作。
目前该电路结合DSP控制芯片在逆变装置中表现得非常出色,证明了电路的简单、有效,是驱动IGBT的一个的比较好的选择。
IGBT模块工作原理及其注意事项
该文章讲述了IGBT模块工作原理及其注意事项应用
一、IGBT模块简介
IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融和了这两种器件的长处,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的长处,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的长处,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,在现代电力电子技术中取得了愈来愈普遍的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
IGBT的等效电路如图1所示。
由图1可知,若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。
IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压,只有在uA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。
2、IGBT模块的选择
IGBT模块的电压规格与所利用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。
其彼此关系见下表。
利用中当IGBT模块集电极电流增大时,所产生的额定损耗亦变大。
同时,开关损耗增大,使原件发烧加重,因此,选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。
特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发烧加重,选历时应该降温等利用。
3、使用中的注意事项
由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。
由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20~30V。
因此因静电而致使栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。
因此使用中要注意以下几点:
1、在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;
2、在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块;
3、尽量在底板良好接地的情况下操作。
在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。
为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。
在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。
此外,在栅极—发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。
这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使IGBT发热及至损坏。
在使用IGBT的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。
在安装或更换IGBT模块时,应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。
为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。
一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热,而发生故障。
因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器,当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。
4、保管时的注意事项
1、一般保留IGBT模块的场所,应维持常温常湿状态,不该偏离太大。
常温的规定为5~35℃,常湿的规定在45~75%左右。
在冬季特别干燥的地域,需用加湿机加湿;
2、尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合;
3、在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象,因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方;
4、保管时,须注意不要在IGBT模块上堆放重物;
5、装IGBT模块的容器,应选用不带静电的容器。
5、结束语
IGBT模块由于具有多种优良的特性,使它取得了快速的发展和普及,已应用到电力电子的各方各面。
因此熟悉IGBT模块性能,了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。
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