【導讀】現有的IGBT技術(shù)水平上如何能夠使其發(fā)揮最大功能，這是主要而又關(guān)鍵的問(wèn)題。本文以eupec公司型號為FF450R17ME3的IGBT為例進(jìn)行說(shuō)明，重點(diǎn)突出其高集成度、高可靠性、高效率等優(yōu)點(diǎn)。
1、引言
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大;MOSFET驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低，從而成為當今電力電子行業(yè)的首選器件。
電力電子器件的發(fā)展水平在很大程度上決定了電力電子產(chǎn)品的發(fā)展水平，而目前電力電子器件受電壓、電流水平的限制成為電力電子及電氣傳動(dòng)行業(yè)發(fā)展的瓶頸，而 IGBT則是其中一例。在現有的IGBT技術(shù)水平上如何能夠使其發(fā)揮最大功能，這是主要而又關(guān)鍵的問(wèn)題，除了合理的軟件控制方法外，無(wú)疑IGBT的驅動(dòng)保護電路是又一重要環(huán)節。目前，IGBT的控制保護電路很多，但在集成度，可靠性等方面還不夠完善，本文就此在介紹IGBT基本性能的基礎上介紹一種基于 CONCEPT公司的2SD315模塊的IGBT驅動(dòng)保護電路。
2、IGBT特性及驅動(dòng)設計
本文以eupec公司型號為FF450R17ME3的IGBT為例進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)查找其技術(shù)手冊可得：在其節溫為125℃，器件集電極與發(fā)射級間壓降為 UCE=900V，門(mén)極驅動(dòng)電壓UGE=±15V，IC=450A，限流電阻RG=3.3Ω時(shí)Tdon=100ns，Tdoff=1000ns。但在門(mén)極電阻RG不同時(shí)，其開(kāi)關(guān)速度也是不同的，當RG小時(shí)，其與門(mén)極電容的時(shí)間常數短，使IGBT深度飽和導通的時(shí)間短，反之則長(cháng)。而IGBT得開(kāi)關(guān)速度直接影響系統效率，但是考慮到di/dt與du/dt對IGBT本身的副作用，又不能使限流電阻過(guò)小。一般限流電阻的選擇可參照以下公式：[1]~[2]
式中 UCN、ICN分別為IGBT額定電壓、額定電流。
圖1為FF450R17ME3管壓降與電流關(guān)系曲線(xiàn)，由圖可見(jiàn)當加在門(mén)極驅動(dòng)電壓小于12V時(shí)，開(kāi)通曲線(xiàn)電流上升到一定值時(shí)，其管壓降急劇上升，雖然在 12V時(shí)可以使IGBT開(kāi)通，但期間開(kāi)通損耗比較大。在8V、9V、10V時(shí)，電流達到一定值，管壓降呈直線(xiàn)上升，期間通電流能力已經(jīng)達到極限。由此綜合考慮門(mén)極驅動(dòng)電壓應大于12V，在工程實(shí)際當中一般選擇15V，考慮有較快的關(guān)斷速度，提高抗干擾能力等方面，應加-10~-15V的反偏電壓。驅動(dòng)電路除考慮以上問(wèn)題外，還需考慮驅動(dòng)信號的隔離，驅動(dòng)電源的隔離，控制部分與主回路部分的隔離。以及各開(kāi)關(guān)信號之間有無(wú)互鎖和死區控制等。
圖1 FF450R17ME3管壓降與電流關(guān)系曲線(xiàn)
3、IGBT 保護電路
IGBT損壞的原因一般有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱3個(gè)方面。過(guò)壓又分集電極發(fā)射極過(guò)壓，門(mén)極發(fā)射極過(guò)壓。在過(guò)流保護方面．很多生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)資料表明：IGBT 短時(shí)間最大可承受兩倍的額定電流．但是經(jīng)常承受過(guò)電流會(huì )使器件過(guò)早老化。從圖3可以發(fā)現。如門(mén)極驅動(dòng)信號的幅值為15V，當IGBT通過(guò)450A的額定電流時(shí)，管壓降大約為2.4V。根據這一特性，可以設計出IGBT過(guò)流保護電路。
圖2 2SD315典型保護電路
如圖2所示為2SD315典型的保護電路，按照該電路的結構，對參數的配置予以計算。由圖可見(jiàn)，當IGBT關(guān)斷時(shí)，VT1導通比較器同相端為0，此時(shí) 150μA電流經(jīng)過(guò)Rth在比較器反相端形成一個(gè)基準電位，此時(shí)比較器輸出為低電平。當IGBT開(kāi)通時(shí)，VT1關(guān)斷，此時(shí)基準電位依然存在，1.4mA電流經(jīng)過(guò)電容Ca延時(shí)后經(jīng)過(guò)電阻Rm、VDM1、VDM2、IGBT后進(jìn)入參考地。因而在比較器的同相端形成一個(gè)點(diǎn)位，其幅值由電阻Rm壓降URm，二極管 VDM1、VDM2壓降UD以及IGBT壓降UCE共同決定，而URm、UD為確定值，所以在比較器同相端的電位就決定于UCE。
由圖1可知在某一確定型號的IGBT，通態(tài)條件下其兩端電壓與通過(guò)的電流有一定的曲線(xiàn)關(guān)系。流過(guò)IGBT的電流增大，IGBT兩端電壓UCE也隨之增大，當UCE增大到使比較器同相端電位高于反相端電位時(shí)，比較器輸出翻轉，從而封鎖IGBT驅動(dòng)脈沖。電路參數可按如下計算：
由于IGBT可以短時(shí)承受兩倍額定電流，所以在實(shí)際應用中可以適當選取。在IGBT導通的瞬間，IGBT兩端電壓UCE不會(huì )立刻進(jìn)入穩態(tài)，而是由一個(gè)短時(shí)的過(guò)渡過(guò)程，在這個(gè)階段IGBT保護電路會(huì )發(fā)出錯誤的檢測信號。當加電容Ca延時(shí)后，IGBT保護電路就能夠躲過(guò)這一過(guò)渡過(guò)程，實(shí)現正確的保護功能。而且此電容還能夠在一定程度上濾掉UCE上的外界干擾信號，減少了保護誤動(dòng)的發(fā)生率。Ca的參數計算如下：
4、2SD315AI-33簡(jiǎn)介及應用
圖3 2SD315AI-33外形圖
4.1 2SD315AI-33是瑞士CONCEPT公司專(zhuān)為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的驅動(dòng)模塊，它以專(zhuān)用芯片組為基礎、外加必需的其它元件組成。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，可提供±15V的驅動(dòng)電壓和±15A的峰值電流，具有準確可靠的驅動(dòng)功能與靈活可調的過(guò)流保護功能，同時(shí)可對電源電壓進(jìn)行欠壓檢測，工作頻率可達兆赫茲以上，電氣隔離可達到6000VAC。
圖4 2SD315AI-33功能框圖
圖3為2SD315AI-33外形尺寸圖，圖4為2SD315AI-33功能框圖，它主要由DC/DC轉換電路、輸入處理電路、驅動(dòng)輸出及邏輯保護電路組成。DC /D C 轉換電路的功能是將輸人部分與工作部分進(jìn)行隔離。而其輸入處理電路由LDIO01及其外圍電路組成。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號不能直接通過(guò)脈沖變壓器，尤其是當脈沖信號的頻率和占空比變化較大時(shí)，尤為困難。LDI001就是專(zhuān)門(mén)為此而設計的，此專(zhuān)用集成芯片的功能主要是對輸人的PWM信號進(jìn)行編碼，以使之可通過(guò)脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。由于該器件內部帶有施密特觸發(fā)器，因此對輸人端信號無(wú)特殊的邊沿陡度要求，并能提供準靜態(tài)的狀態(tài)信號反饋。將其設計為集電極開(kāi)路方式，可以適應任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區時(shí)間。以上優(yōu)點(diǎn)使得接口既易用又靈活，從而省去了其它專(zhuān)用電路所必需的許多外圍器件。驅動(dòng) 輸 出及邏輯保護電路的核心芯片是IGDOOI。它將變壓器接口、過(guò)流短路保護、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監視和輸出階段識別等功能都已集成在一起。每個(gè)IGD用于一個(gè)通道，其具體功能是對脈沖變壓器傳來(lái)的PWM信號進(jìn)行解碼，對PWM信號進(jìn)行功率放大，對IGBT的短路、過(guò)流及電源的欠壓檢測保護，并向LDI反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護的響應時(shí)間和阻斷時(shí)間等。
4.2 實(shí)際應用電路如圖5所示：
圖5 2SD315AI-33實(shí)際應用電路
4.3 實(shí)驗波形
圖6為用本文的方法設計的驅動(dòng)電路應用在三電平變頻器中的門(mén)極驅動(dòng)信號波形。
5 總結
對于正確使用IGBT，除了添加必要的吸收電路外，設計好一套良好的驅動(dòng)保護電路是尤為關(guān)鍵的。在設計驅動(dòng)保護電路之前，必須仔細研究開(kāi)關(guān)器件的關(guān)鍵外部特性，這對于正確設計驅動(dòng)保護電路是至關(guān)重要的。本文就是在分析器件的IGBT過(guò)渡過(guò)程等特性的基礎上設計的一套驅動(dòng)保護電路，借助于2SD315AI- 33模塊的高集成性、高可靠性，從而使整體電路達到一個(gè)高的使用性能。
