通過對功率器件IGBT的工作特性分析、驅(qū)動要求和保護(hù)方法等討論，介紹了的一種可驅(qū)動高壓大功率igbt的集成驅(qū)動模塊hcpl-3i6j的應(yīng)用

　　關(guān)鍵詞：igbt;驅(qū)動保護(hù)電路;電源

　　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(yīng)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(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點。

　　但是，igbt和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，igbt的驅(qū)動和保護(hù)電路是電路設(shè)計的難點和重點，是整個裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　為解決igbt的可靠驅(qū)動問題，國外各igbt生產(chǎn)廠家或從事igbt應(yīng)用的企業(yè)開發(fā)出了眾多的igbt驅(qū)動集成電路或模塊，如國內(nèi)常用的日本富士公司生產(chǎn)的exb8系列，三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的m579系列，美國ir公司生產(chǎn)的ir21系列等。但是，exb8系列、m579系列和ir21系列沒有軟關(guān)斷和電源電壓欠壓保護(hù)功能，而惠普生產(chǎn)的hclp一316j有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和1gbt軟關(guān)斷的功能，且價格相對便宜，因此，本文將對其進(jìn)行研究，并給出1700v，200～300a igbt的驅(qū)動和保護(hù)電路。

　　1 igbt的工作特性

　　igbt是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動電流與驅(qū)動功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。igbt的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓uge來控制的，當(dāng)uge大于開啟電壓uge(th)時igbt導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時，igbt被關(guān)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(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動電路中主要研究igbt的飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

　　2 igbt驅(qū)動電路要求

　　在設(shè)計igbt驅(qū)動時必須注意以下幾點。

　　1)柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動電壓增大時，.igbt的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減小;但若正向驅(qū)動電壓過大則負(fù)載短路時其短路電流ic隨uge增大而增大，可能使igbt出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成igbt的損壞;若正向驅(qū)動電壓過小會使igbt退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)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(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使igbt誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選一5v為宜。另外，igbt開通后驅(qū)動電路應(yīng)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(dǎo)通區(qū)而損壞。

　　2)igbt快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下igbt的開關(guān)頻率不宜過大，因為高速開通和關(guān)斷時，會產(chǎn)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(lián)電阻rg和柵射電容cg對igbt的驅(qū)動相當(dāng)重要。rg較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)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(guān)時間和開關(guān)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(dāng)igbt關(guān)斷時，柵射電壓很容易受igbt和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。

　　3 hcpl-316j驅(qū)動電路

　　3.1 hcpl-316j內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

　　hcpl-316j的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。

　　從圖1可以看出，hcpl-316j可分為輸入ic(左邊)和輸出ic(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率igbt驅(qū)動的要求。

　　各引腳功能如下：

　　腳1(vin+)正向信號輸入;

　　腳2(vin-)反向信號輸入;

　　腳3(vcg1)接輸入電源;

　　腳4(gnd)輸入端的地;

　　腳5(resert)芯片復(fù)位輸入端;

　　腳6(fault) 故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或igbt短路)時，通過光耦輸出故障信號;

　　腳7(vled1+)光耦測試引腳，懸掛;

　　腳8(vled1-)接地;

　　腳9，腳10(vee)給igbt提供反向偏置電壓;

　　腳11(vout)輸出驅(qū)動信號以驅(qū)動igbt;

　　腳12(vc)三級達(dá)林頓管集電極電源;

　　腳13(vcc2)驅(qū)動電壓源;

　　腳14(desat) igbt短路電流檢測;

　　腳15(vled2+)光耦測試引腳，懸掛;

　　腳16(ve)輸出基準(zhǔn)地。

　　其工作原理如圖1所示。若vin+正常輸入，腳14沒有過流信號，且vcc2-ve=12v即輸出正向驅(qū)動電壓正常，驅(qū)動信號輸出高電平，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到j(luò)p3，d點低電平，b點也為低電平，50×dmos處于關(guān)斷狀態(tài)。此時jp1的輸入的4個狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，a點高電平，驅(qū)動三級達(dá)林頓管導(dǎo)通，igbt也隨之開通。

　　若igbt出現(xiàn)過流信號(腳14檢測到igbt集電極上電壓=7v)，而輸入驅(qū)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(dá)林頓管被關(guān)斷，1×dmos導(dǎo)通，igbt柵射集之間的電壓慢慢放掉，實現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)vout=2v時，即vout輸出低電平，c點變?yōu)榈碗娖剑琤點為高電平，50×dmos導(dǎo)通，igbt柵射集迅速放電。故障線上信號通過光耦，再經(jīng)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(qū)動電路設(shè)計

　　驅(qū)動電路及參數(shù)如圖3所示。

　　hcpl-316j左邊的vin+，fault和reset分別與微機(jī)相連。r7，r8，r9，d5，d6和c12 起輸入保護(hù)作用，防止過高的輸入電壓損壞igbt，但是保護(hù)電路會產(chǎn)生約1μs延時，在開關(guān)頻率超過100khz時不適合使用。q3最主要起互鎖作用，當(dāng)兩路pwm信號(同一橋臂)都為高電平時，q3導(dǎo)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(dāng)有干擾信號后，能讓微機(jī)正確接受信息。

　　在輸出端，r5和c7關(guān)系到igbt開通的快慢和開關(guān)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(shè)計，ionmax值為20a。輸出低電平vol=2v。可得

　　c3是一個非常重要的參數(shù)，最主要起充電延時作用。當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)斷。當(dāng)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(fù)正常，若沒有c3，則也會發(fā)出錯誤的故障信號，使igbt誤關(guān)斷。但是，c3的取值過大會使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，而且在飽和情況下，也可能使igbt在延時時間內(nèi)就被燒壞，起不到正確的保護(hù)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(qū)動電壓等級，但二極管的反向恢復(fù)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(fù)時間75 ns。r4和c5的作用是保留hclp-316j出現(xiàn)過流信號后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是c5通過內(nèi)部mosfet的放電來實現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓vout經(jīng)過兩個快速三極管推挽輸出，使驅(qū)動電流最大能達(dá)到20a，能夠快速驅(qū)動1700v、200-300a的igbt。

　　3.3驅(qū)動電源設(shè)計

　　在驅(qū)動設(shè)計中，穩(wěn)定的電源是igbt能否正常工作的保證。如圖4所示。電源采用正激變換，抗干擾能力較強(qiáng)，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負(fù)載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定。

　　當(dāng)s開通時，+12v(為比較穩(wěn)定的電源，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和s相連的繞組，通過能量耦合使副邊經(jīng)過整流輸出。當(dāng)s關(guān)斷時，通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源，實現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位。555定時器接成多諧振蕩器，通過對c1的充放電使腳2和腳6的電位在4～8v之間變換，使腳3輸出電壓方波信號，并用方波信號來控制s的開通和關(guān)斷。+12v經(jīng)過r1，d2給c1充電，其充電時間t1≈r1c2ln2;放電時間t2=r2c1ln2，充電時輸出高電平，放電時輸出低電平。所以占空比=t1/(t1+t2)。

　　變壓器按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計：原邊接+12v，頻率為60khz，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度bw為o.15t，副邊+15v輸出2a，-5v輸出1 a，效率n=80%，窗口填充系數(shù)km為o.5，磁芯填充系數(shù)kc為1，線圈導(dǎo)線電流密度d為3 a/mm2。則輸出功率

　　pt=(15+o.6)×2×2+(5+o.6)×1×2=64w。

　　變壓器磁芯參數(shù)

　　由于帶載后驅(qū)動電源輸出電壓會有所下降，所以，在實際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來穩(wěn)定輸出電壓。

　　4 結(jié)語

　　本文設(shè)計了一個可驅(qū)動l700v，200～300a的igbt的驅(qū)動電路。硬件上實現(xiàn)了對兩個igbt(同一橋臂)的互鎖，并設(shè)計了可以直接給兩個igbt供電的驅(qū)動電源。