IGBT電力電子裝置的應用詳解

IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點。

　　為解決IGBT的可靠驅動問題，國外各IGBT生產廠家或從事IGBT應用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的IGBT驅動集成電路或模塊，惠普生產的HCLP一316J有過流保護、欠壓保護和1GBT軟關斷的功能，且價格相對便宜，因此，本文將對其進行研究。

　　1 IGBT的工作特性

　　IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流與驅動功率非常小，可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓UGE來控制的，當UGE大于開啟電壓UGE(th)時IGBT導通，當柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關斷。

　　IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開關器件應用。在驅動電路中主要研究IGBT的飽和導通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。

　　2 IGBT驅動電路要求

　　在設計IGBT驅動時必須注意以下幾點。

　　1)柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時，.IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減小;但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞;若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞;使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅動電路應提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區(qū)而損壞。

　　2)IGBT快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關頻率不宜過大，因為高速開通和關斷時，會產生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

　　3)選擇合適的柵極串聯電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT;RG較大，有利于抑制dvce/dt，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗。合適的CG有利于抑制dic/dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic/dt效果不明顯。

　　4)當IGBT關斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應與正負柵壓相同。

　　3 HCPL-316J驅動電路

　　3.1 HCPL-316J內部結構及工作原理

　　若IGBT出現過流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅動信號繼續(xù)加在腳1，欠壓信號為低電平，B點輸出低電平，三級達林頓管被關斷，1×DMOS導通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現慢降柵壓。當VOUT=2V時，即VOUT輸出低電平，C點變?yōu)榈碗娖?，B點為高電平，50×DMOS導通，IGBT柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦，再經過RS觸發(fā)器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況。

　　3.2驅動電路設計

　　HCPL-316J左邊的VIN+，FAULT和RESET分別與微機相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護作用，防止過高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護電路會產生約1μs延時，在開關頻率超過100kHz時不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時，Q3導通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號Interlock，和Interlock2分別與另外一個316J Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對故障信號的放大和濾波，當有干擾信號后，能讓微機正確接受信息。

　　在輸出端，R5和C7關系到IGBT開通的快慢和開關損耗，增加C7可以明顯地減小dic/dt。首先計算柵極電阻：其中ION為開通時注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開通，設計，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。C3是一個非常重要的參數，最主要起充電延時作用。當系統(tǒng)啟動，芯片開始工作時，由于IGBT的集電極C端電壓還遠遠大于7V，若沒有C3，則會錯誤地發(fā)出短路故障信號，使輸出直接關斷。當芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復正常，若沒有C3，則也會發(fā)出錯誤的故障信號，使IGBT誤關斷。但是，C3的取值過大會使系統(tǒng)反應變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時時間內就被燒壞，起不到正確的保護作用， C3取值100pF，其延時時間在集電極檢測電路用兩個二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅動電壓等級，但二極管的反向恢復時間要很小，且每個反向耐壓等級要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復時間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現過流信號后具有的軟關斷特性，其原理是C5通過內部MOSFET的放電來實現軟關斷。圖3中輸出電壓VOUT經過兩個快速三極管推挽輸出，使驅動電流最大能達到20A，能夠快速驅動1700v、200-300A的IGBT。