一種內(nèi)置隔離電源的混合集成IGBT驅(qū)動器

　　igbt（isolated gate bipolartransistor），即絕緣柵型雙極性晶體管具有優(yōu)越的低飽和壓降，較高的電壓和較大的電流輸出等特點，在功率電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到更為廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。為了使igbt在大功率系統(tǒng)發(fā)揮更穩(wěn)定和安全的性能，需要為其設(shè)計專門的驅(qū)動器。國外hp、infineon、ir及fuji等都有專用的hvic驅(qū)動器。其主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)，在較大功率應(yīng)用中，驅(qū)動器常用三菱m57系列與富士exb系列的厚模混合驅(qū)動器［1］。但此類驅(qū)動器較多不自帶隔離電源，需外部增加隔離電源為其供電，增加了驅(qū)動電路復(fù)雜性，造成用戶應(yīng)用不便。本文詳細(xì)介紹了一種自帶隔離電源的igbt集成混合型驅(qū)動器qp12w05s-37的原理與性能，并給出了應(yīng)用要點。

2 功能概述

　　qp12w05s-37是一種自帶隔離電源的混分集成igbt驅(qū)動器，具有體積小、隔離電壓高、信號延遲小和驅(qū)動功率大等特點。最大應(yīng)用頻率可達(dá)20khz。主要由3個功能塊組成，如圖1所示。第一功能塊是隔離dc/dc變換器，輸出正負(fù)雙電源為驅(qū)動電路提供電源，其又可分為電源輸入，電源隔離和電源輸出三部分；第二功能模塊是控制信號的隔離驅(qū)動放大，輸入驅(qū)動控制信號經(jīng)具有高隔離電壓的光耦隔離后傳輸?shù)津?qū)動放大級，其電氣隔離電壓可達(dá)3750vac，控制信號經(jīng)放大級后輸出驅(qū)動igbt。第三功能塊是保護(hù)電路，通過檢測igbt欠飽和導(dǎo)通壓降實現(xiàn)過流與短路保護(hù)，并輸出故障信號。同時具有軟關(guān)斷和延時自恢復(fù)功能［2］。

3 工作原理與性能測試

　?。?）內(nèi)置隔離電源

　　qp12w05s-37驅(qū)動器自帶隔離型dc/dc變換器作為驅(qū)動電源，采用推挽式變換電路進(jìn)行電能變換，開關(guān)頻率約為500khz，輸出雙路電源電壓作為驅(qū)動器輸出部分的供電電源。一路輸出電壓為16v；另一路電壓為-8.9v。每路最大輸出電流為30ma。由于igbt開通與關(guān)斷時柵極驅(qū)動電流較大，為了保證開通與關(guān)斷時的驅(qū)動器能提供足夠大的驅(qū)動電流，在隔離電源輸出端需加一個內(nèi)阻較小的電容來保證驅(qū)動輸出足夠大的電流要求?？紤]到方便用戶連接以及減小emi，電源初級側(cè)的地與信號輸入負(fù)端在驅(qū)動器內(nèi)并未短接，應(yīng)用時如有需要，可將其兩個端子在驅(qū)動器外部進(jìn)行連接。內(nèi)置了隔離驅(qū)動電源的驅(qū)動器應(yīng)用于橋式逆變電路中時，只需單路電源給多只igbt驅(qū)動器供電即可，并且該驅(qū)動電源可以與控制電路電源共用，極大方便了用戶的驅(qū)動電路設(shè)計。

　?。?）信號隔離與放大

　　qp12w05s-37驅(qū)動器是采用光耦實現(xiàn)驅(qū)動信號的隔離與傳輸，光耦輸入側(cè)信號須滿足光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通電流要求，推薦輸入電流為10ma~16ma，在不同的控制信號下需選擇合適的輸入電阻，其計算方法如下式所示：ri為輸入外接限流電阻； vi為控制輸入信號幅值；vli為光耦的導(dǎo)通壓降（此驅(qū)動器光耦導(dǎo)通壓降為1.7v）；ii為輸入電流（此驅(qū)動器可選擇為10ma～16ma）；150為內(nèi)接限流電阻值。經(jīng)過光耦隔離后，驅(qū)動信號在次級進(jìn)行了放大，其柵極驅(qū)動輸出峰值電流可達(dá)到5a。其波形如圖2所示。

　?。?）柵極驅(qū)動輸出

　　qp12w05s-37驅(qū)動器柵極驅(qū)動輸出峰值電流為5a。驅(qū)動功率由驅(qū)動信號頻率，igbt的柵極電荷及柵極驅(qū)動電壓幅值決定。具體可用以下公式來計算：pg=fsw×qg×ug

　　其中pg為柵極驅(qū)動功率；fsw為應(yīng)用頻率；qg為柵極電荷； ug為柵極驅(qū)動電壓幅值。

　　驅(qū)動輸出峰值電流是由驅(qū)動電壓與柵極電阻決定，具體的計算公式如下：

　　最大驅(qū)動峰值電流：

　　igmax=ug/rgmin

　　ug=ugon+|ugoff|；

　　rgmin=rg+rg’

　　其中ug為柵極電壓幅值；ugon為igbt開通時柵極與發(fā)射極之間的電壓（此驅(qū)動器為15v），ugoff為igbt關(guān)斷時柵極對發(fā)射極的電壓（本驅(qū)動器為－8v）；rgmin為最小柵極電阻，rg為外接?xùn)艠O電阻值；rg’為igbt柵極內(nèi)阻及外部線路的阻抗值之和。在實際計算中rg’經(jīng)?？珊雎圆挥嫛?/p>

4 過流與短路保護(hù)

　?。?）短路與過流狀態(tài)檢測

　　qp12w05s-37驅(qū)動器是通過檢測igbt的欠飽和導(dǎo)通壓降的方法來判斷igbt是否發(fā)生過流或短路。當(dāng)發(fā)生短路后，igbt退出飽和區(qū)，vce增加，當(dāng)其達(dá)到保護(hù)閥值電壓vcestat后，保護(hù)電路關(guān)斷igbt，同時輸出故障信號。工作原理如下圖3所示。