IGBT應用電子電路設計圖集錦 —電路圖天天讀（189）

　　IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。本文介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在不間斷電源系統(tǒng)中的應用情況，分析了IGBT 在UPS 中損壞的主要原因和實際應用中應注意的問題。在UPS 中使用的功率器件有雙極型功率晶體管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT 既有功率MOSFET 易于驅(qū)動，控制簡單、開關頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點、使用IGBT成為UPS 功率設計的首選，只有對IGBT的特性充分了解和對電路進行可靠性設計，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點。本文介紹UPS 中的IGBT 的應用情況和使用中的注意事項。

　　IGBT電路原理圖

　　IR2110驅(qū)動IGBT電路如圖所示。電路采用自舉驅(qū)動方式，VD1為自舉二極管，C1為自舉電容。接通電源，VT2導通時Cy通過VDt進行充電。這種電路適用于驅(qū)動較小容量的IGBT.對于IR2110，當供電電壓較低時具有使驅(qū)動器截止的保護功能。自舉驅(qū)動方式支配著VT2的導通電壓，因此電壓較低的保護功能是其必要條件。若驅(qū)動電壓較低時驅(qū)動IGBT，則IGBT就會發(fā)生熱損壞。VD1選用高速而耐壓大于600V的ERA38-06、ERB38-06等二極管。

　　絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種MOSFET 與雙極晶體管復合的器件。它既有功率MOSFET 易于驅(qū)動，控制簡單、開關頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態(tài)電流大，損耗小的顯著優(yōu)點。據(jù)東芝公司資料，1200V/100A 的IGBT 的導通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOSFET 的1/10，而開關時間是同規(guī)格GTR的1/10。由于這些優(yōu)點，IGBT廣泛應用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的設計中。這種使用 IGBT 的在線式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強、可靠性高的顯著優(yōu)點。　UPS 主要有后備式、在線互動式和在線式三種結構。在線式UPS 以其可靠性高，輸出電壓穩(wěn)定，無中斷時間等顯著優(yōu)點，廣泛用于通信系統(tǒng)、稅務、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機關的機房中。本文以在線式為介紹對象，介紹UPS 中的IGBT的應用。

　　圖1 在線式不間斷電源主電路圖

　　圖1 為在線式UPS 的主電路，在線式UPS 電源具有獨立的旁路開關、AC/DC 整流器、充電器、DC/AC 逆變器等系統(tǒng)，工作原理是：市電正常時AC/DC 整流器將交電整流成直流電，同時對蓄電池進行充電，再經(jīng)DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟?，市電異常時，電池對逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時將輸出轉(zhuǎn)為旁路供電。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定，能為用戶提供真正高質(zhì)量的正弦波電源。

　　圖3：應用IGBT 的旁路開關

　　整流器AC/DC

　　UPS 整流電路分為普通橋堆整流、SCR 相控整流和PFC 高頻功率因數(shù)校正的整流器。傳統(tǒng)的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS 技術的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數(shù)要求，采用PFC 功率因數(shù)校正的UPS 日益普及，PFC 電路工作的基頻至少20KHZ，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數(shù)達到0.99，PFC 電路中常用IGBT 作為功率器件，應用 IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、綠色環(huán)保的優(yōu)點。UPS 的充電器常用的有反激式、BOOST 升壓式和半橋式。大電流充電器中可采用單管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。3KVA 以上功率的在線式UPS 幾乎全部采用IGBT 作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路，如下圖4。

　　過電流損壞

　　為了避免IGBT 發(fā)生擎住效應而損壞，電路設計中應保證IGBT 的最大工作電流應不超過IGBT 的IDM 值，同時注意可適當加大驅(qū)動電阻 RG 的辦法延長關斷時間，減小IGBT 的di/dt。驅(qū)動電壓的大小也會影響IGBT 的擎住效應，驅(qū)動電壓低，承受過電流時間長，IGBT 必須加負偏壓，IGBT 生產(chǎn)廠家一般推薦加-5V 左右的反偏電壓。在有負偏壓情況下，驅(qū)動正電壓在10—15V 之間，漏極電流可在5～10μs 內(nèi)超過額定電流的4～10 倍，所以驅(qū)動IGBT 必須設計負偏壓。由于UPS 負載沖擊特性各不相同，且供電的設備可能發(fā)生電源故障短路，所以在UPS 設計中采取限流措施進行IGBT的電流限制也是必須的，可考慮采用IGBT 廠家提供的驅(qū)動厚膜電路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它們對IGBT 的集電極電壓進行檢測，如果IGBT 發(fā)生過電流，內(nèi)部電路進行關閉驅(qū)動。這種辦法有時還是不能保護IGBT，根據(jù)IR 公司的資料，IR 公司推薦的短路保護方法是：首先檢測通態(tài)壓降Vce，如果Vce 超過設定值，保護電路馬上將驅(qū)動電壓降為 8V，于是IGBT 由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入放大區(qū)，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經(jīng)過4us 連續(xù)檢測通態(tài)壓降Vce，如果正常，將驅(qū)動電壓恢復正常，如果未恢復，將驅(qū)動關閉，使集電極電流減為零，這樣實現(xiàn)短路電流軟關斷，可以避免快速關斷造成的過大di/dt 損壞IGBT，另外根據(jù)最新三菱公司IGBT 資料，三菱推出的F 系列IGBT 的均內(nèi)含過流限流電路（RTC circuit），如圖6，當發(fā)生過電流，10us 內(nèi)將IGBT 的啟動電壓減為 9V，配合M57160AL 驅(qū)動厚膜電路可以快速軟關斷保護IGBT。

　　圖5：IGBT 等效電路圖

　　圖6 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路

　　過電壓損壞

　　防止過電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結構，通過縮小大電流回路的路徑來減小線路寄生電感；適當增加IGBT 驅(qū)動電阻Rg 使開關速度減慢（但開關損耗也增加了）；設計緩沖電路，對尖峰電壓進行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復的二極管，電容必須是高頻、損耗小，頻率特性好的薄膜電容。這樣才能取得好的吸收效果。常見電路有耗能式和回饋式緩沖電路。回饋式又有無源式和有源式兩種，詳細電路設計可參見所選用器件的技術手冊。在UPS 中，逆變橋同臂支路兩個驅(qū)動必須是互鎖的，而且應該設置死區(qū)時間（即共同不導通時間）。如果發(fā)生共導，IGBT 會迅速損壞。在控制電路應該考慮到各種運行狀況下的驅(qū)動問題控制時序問題?？赏ㄟ^降額使用，加大散熱器，涂敷導熱膠，強制風扇制冷，設置過溫度保護等

　　IGBT欠壓鎖定保護（UVLO）功能

　　在剛剛上電的過程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時芯片有輸出會造成IGBT門極電壓過低，那么它會工作在線性放大區(qū)。 HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能（UVLO）可以解決此問題。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過多進而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。

　　圖1 HCPL-316J內(nèi)部原理圖

　　IGBT過流保護功能

　　HCPL-316J具有對IGBT的過流保護功能，它通過檢測IGBT的導通壓降來實施保護動作。同樣從圖上可以看出，在其內(nèi)部有固定的7V電平，在檢測電路工作時，它將檢測到的IGBT C～E極兩端的壓降與內(nèi)置的7V電平比較，當超過7V時，HCPL-316J芯片輸出低電平關斷IGBT，同時，一個錯誤檢測信號通過片內(nèi)光耦反饋給輸入側，以便于采取相應的解決措施。在IGBT關斷時，其C～E極兩端的電壓必定是超過7V的，但此時，過流檢測電路失效，HCPL-316J芯片不會報故障信號。實際上，由于二極管的管壓降，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時芯片就采取保護動作。

　　驅(qū)動電路方案設計

　　驅(qū)動電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導通、關斷并且保護IGBT。它的輸出功能可以簡略的用下面的邏輯功能表來描述。（詳見表1）

　　表1 HCPL-316J邏輯功能表

　　表格中最后一列為輸出。當輸出為High時IGBT導通，否則IGBT關斷。IGBT導通需要同時具備最后一行的五個條件，缺一不可，即同相輸入為高；反相輸入為低；欠壓保護功能無效；未檢測到IGBT故障，無故障反饋信號或故障反饋信號已被清除。

　　根據(jù)上述輸出控制功能，設計電路如圖2。

　　圖2 IGBT驅(qū)動電路

　　整個電路板的作用相當于一個光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器（DSP-TMS320F2812）產(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號輸出給HCPL-316J，同時HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號 FAULT*給控制器。同時在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路，目的是為了提高輸出電流能力，匹配IGBT驅(qū)動要求。

　　當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時，推挽電路上管（T1）導通，下管（T2）截止， 三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極（VG1）上，IGBT VCE為15V，IGBT導通。當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時，上管（T1）截止，下管（T1）導通，VCE為-9V，IGBT關斷。以上就是IGBT的開通關斷過程。

　　IGBT驅(qū)動電路分析

　　如圖是一個單項變頻器IGBT驅(qū)動電路的一部分電路，輸出只要有Q2那部分，如果A314J的VO端子輸出電壓不足是不是可以判定是A314J本身或者之前電路的問題，而不是之后電路的問題。

　　編輯點評：IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的優(yōu)點，是UPS 中的充電、旁路開關、逆變器，整流器等功率變換的理想器件。只有合理運用IGBT，并采取有效的保護方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。