IGBT驱动电路性能分析

IGBT驱动电路性能分析

Analysis on the Performance of IG B T Driving Circuit

山东工业大学　尹　海　李思海　张光东　(济南　250061)

摘要:阐述了对IG B T驱动器的基本要求,介绍了IG B T驱动器的各种电路形式及特点,指出了使用时应注意的问题。

Abstract:The paper describes the basic requirements for IG B T driving circuit and its various circuit forms and characteristics.The problems which should be noticed in a pplication are pointed out.

叙词:绝缘栅双极晶体管　驱动电路

K eyw ords:IGBT;driving circuit

1　引　言

近年来,新型功率开关器件IG B T已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比,IG B T目前在综合性能方面占有明显的优势,并正越来越多地应用到工作频率为几十千赫、输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置中。

然而,在IG B T的使用过程中,发现了不少影响IG B T推广使用的问题,其中之一就是IG B T驱动电路的合理选择和正确设计问题。2　IGBT驱动器的基本要求

一个理想的IG B T驱动器应具有以下基本性能:

(1)动态驱动能力强,能为IG B T栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当IG B T在硬开关方式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长,开关损耗越大。器件工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过IG B T通态损耗,造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IG B T的开关频率和输出能力,同时对IG B T的安全工作构成很大威胁。

IG B T的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IG B T的栅源特性呈非线性电容性质,因此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使IG B T栅源电压建立或消失得足够快,从而使开关损耗降至较低的水平。

另一方面,驱动器内阻也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。

(2)能向IG B T提供适当的正向栅压。IG B T导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下,u GS越高,u DS就越低,器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的工作能力。但是,u GS并非越高越好,一般不允许超过20V,原因是一旦发生过流或短路,栅压越高,则电流幅值越高,IG B T损坏的可能性就越大。通常,综合考虑取+15V为宜。

(3)能向IG B T提供足够的反向栅压。在IG B T关断期间,由于电路中其它部分的工作,会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的IG B T处于微通状态,增加管子的功耗,重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此,最好给应处于截止状态的IG B T加一反向栅压(幅值一般为5～15V),使IG B T在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。

(4)有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中,IG B T与工频电网有直接电联系,而控制电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器)中的IG B T的工作电位差别很大,也不允许控制电路与其直接耦合。因此,驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作,同时有利于维修调试人员的人身安全。但是,这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。

(5)具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。IG B T栅极极限电压一般为±20V,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。

(6)输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后,另一方面能提高保护的快速性。

(7)电路简单,成本低。

(8)IG B T损坏时,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。IG B T烧毁时,集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路,从而破坏其中的某些元件。

由于IG B T承受过流或短路的能力有限,故IG B T驱动器还应具有如下功能:

(9)当IG B T处于负载短路或过流状态时,能在IG B T允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流,实现IG B T的软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过高的d i/d t。在杂散电感的作用下,过高的d i/d t会产生过高的电压尖峰,使IG B T承受不住而损坏。同理,驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响,即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时,无论此时有无输入信号,都应无条件地实现软关断。

在各种设备中,二极管的反向恢复、电磁性负载的分布电容及关断吸收电路等都会在IG B T开通时造成尖峰电流。驱动器应具备抑制这一瞬时过流的能力,在尖峰电流过后,应能恢复正常栅压,保证电路的正常工作。

(10)在出现短路、过流的情况下,能迅速发出过流保护信号,供控制电路进行处理。

3　IG BT驱动器的电路形式及特点目前,供IG B T使用的驱动电路形式多种多样,各自的功能也不尽相同。从综合的观点看,还没有一种十全十美的电路。

从电路隔离方式看,IG BT驱动器可分成两大类,一类采用光电耦合器,另一类采用脉冲变压器,两者均可实现信号的传输及电路的隔离。

下面以日本富士公司的EXB841驱动器为例,简单说明光电耦合驱动器的工作原理(见图1)。图中+20V驱动电源通过R1和V5分为+15V及+5V两部分。当来自控制电路的控制脉冲进入光电耦合器V1后,放大器使V3导通, IG B T栅极即得到一个+15V驱动信号并导通。当控制信号消失后,V4导通,此时IG B T即得到一个-5V的栅源电压并截止。IG B T在导通期间过流时,会脱离饱和状态,此时,u DS升高。驱动器内的保护电路通过V6检测到这一状态后,一方面在10μs内逐步降低栅压,使IG B T 进入软关断状态,另一方面通过光耦V2向控制电路发出过流信号

。

图1　采用EX B841的IG B T驱动器

光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的,由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制,而且可以较容易地通过检测IG B T通态集电极电压实现各种情况下的过流及短路保护,并对外送出过流信号。目前国内外都趋向于把这种驱动器做成厚膜电路的形式,因此具有使用较方便,一致性及稳定性较好的优点。其不足之处是需要较多的工作电源。例如,全桥式开关电源一般需要四个工作电源,从而增加了电路的复杂性。驱动器中的光电耦合器尽管速度较高,但对脉冲信号仍会有1μs 左右的滞后时间,不适应某些要求较高的场合。光电耦合器的输入输出间耐压一般为交流2500V,这对某些场合是不够的。例如,许多逆变焊机的输出直接反馈到控制电路,而国家的有关标准却规定焊机输入输出之间应能承受交流4000V电压,从而给电路的设计增加了困难。另外,一旦IG B T烧坏,驱动器通常也随之烧毁,从而增加了维修的复杂性及费用。

与之相反,变压器耦合驱动器的特点是不必专设工作电源且速度高,输入输出间耐压可做得较高,成本较低。图2示出两种变压器驱动器的电路,显然电路结构比较简单。其中图

2b 电路适用于半桥式或全桥式逆变器,其电路

结构决定了同一桥臂的两只IG B T 不会同时得

到正向栅压,从而保证了逆变器不会发生直通现象。变压器耦合驱动器信号延迟很小,从实验结果来看,只有几个纳秒,响应速度很快

。

图2　两种变压器驱动器电路

图2电路的缺点是IG B T 关断期间不能得到持续的反向栅压,故抗干扰能力较差。图3所示的驱动电路较好地解决了这个问题。图中V 1及C 1为IG B T 提供反向栅压,其数值由V 1稳压值而定。

变压器耦合驱动器的缺点是不能自动实现过流保护,不能实现任意脉宽输出。这种驱动器对变压器的绕制要求严格,必须尽可能改善初、次级的耦合,否则效果不好

。

图3　变压器耦合驱动器

为了进一步完善变压器耦合驱动器的功

能,以适应更多的应用对象,可利用信号调制解调原理,脉冲变压器工作在高频状态(几百千赫),变压器初级的脉冲幅度随控制信号的有无而变化,而变压器次级则有整流器和鉴幅器。这样,次级电路可以根据高频脉冲的幅值对控制信号进行复原。变压器除实现了信号传输外,还实现了驱动电源的输送,从而为实现各种保护功能提供了基础。美国Unitrode 公司推出的UC3724/3725即是一种典型的电路。表1列举了目前市场上可见的若干种驱动器,其功能大致相同,但也有许多不同之处[1～4]。另外,目前市场上还有一种专用驱动器,可驱动一个桥臂上两只IG B T ,如美国IR 公司的IR2110及德国西门康公司的SKHI21。

表1　现有市售驱动器

项　目

驱动器

日本富士

EX B841

日本英达

HR065

日本三菱

M57959L ～57962L

中国西安

HL402

美国Unitrode

UC3724～3725

隔离方式光耦

光耦光耦光耦变压器附加电源(V )+20

+25

+18,-10

+25

-输出高电平(V )+14.5+16+18+14+9～15输出低电平(V )-4.5-8-10-90最高工作频率(kHz )40204040-隔离电压(V AC )2500250025002500-最大输出电流(A )4 2.52/52-最大吸收电流(A )

4 2.52/52-开通延迟时间(μs )<1.50.4～0.81<10.5开通上升时间(μs )0.060.60.25关断延迟时间(μs )<1.50.07～0.4

1<1

0.25关断下降时间(μs )0.10.40.1软关断时间(μs )10451～2ms 可调-报警延迟(μs )1

1.4

-

1-

定时逻辑栅压控制

无有有

无

无

4　用IGBT 驱动器需注意的问题

除上述问题之外,在使用IG B T 驱动器时,还要注意其它一些问题,即如何妥善处理过流

保护问题。

在图1所示电路中,二极管V 6的选取是很重要的。它必须是快速二极管,其反向耐压至

少应与IG B T相同,而且其正向压降对IG B T 保护点的设定关系甚大。例如,富士EXB系列驱动器要求V6的正向压降为3V,如果我们选用了其它压降低的二极管,则IG B T就不能得到有效的保护。相反,如果我们想降低IG B T 的保护点,则可以采用多只串联的办法,增加V6的正向压降。另外,各厂家生产的IG B T的传输比各不相同,因此,用一个厂家生产的驱动器去驱动另一个厂家的IG B T,应考虑对二极管V6的正向压降作相应调整。

有些厂家生产的驱动器(EXB系列)不具备定时逻辑栅压控制的功能。在过流状态下,若驱动器的入口信号消失,则其出口信号也随之消失。这样,过流状态下的IG B T易被损坏。因此,需要在外部电路中采取措施,以保证过流时驱动器的入口驱动脉冲有足够的宽度,使IG B T在驱动器的软关断作用下可靠完成关断过程。另一方面,对于具有逻辑栅压控制的驱动器(如HR065)而言,在某些情况下也有人为造成桥臂直通的危险。

IG B T开通时往往会流过一些正常的尖峰电流,因此,驱动器一般对短时间过流都不予以保护。例如,笔者在实验中发现,在IG B T过流开通4μs之后,EXB841才会对过流进行保护。另外,发生过流后,驱动器送出保护信号并通过光电耦器送到控制电路时也有几个微秒的延迟。因此,目前的驱动器对窄脉冲过流还是无能为力的,仍需要通过其它手段实现保护。5　结　论

综上所述,在设计电路时,应清楚地了解各种驱动器的特点,根据实用需要进行正确选择,减少盲目性。对于变频器一类输出对输入有直接电联系的设备,由于逆变器对地直接短路的危险性比较大,而且IG B T关断等待时间比较长,故采用光耦隔离式驱动器比较合适。而对于一般的开关电源(如逆变焊机、通信电源等),由于其采用的IG B T直接对地短路的可能性很小,因此只要能保证不发生逆变电路桥臂直通,并采用电流互感器进行过流保护,IG B T就不会受到过流威胁。此类设备一般工作频率都比较高,因此从技术、经济上综合考虑,采用变压器驱动器比较合适。

参考文献

1　钱文明等.用于IG B T的专用集成电路驱动器HR065的设计原理与应用研究.电气传动,1995

(2):23～28.

2　盛祖权等.具有完善短路保护功能的IG B T驱动器HL402.电力电子技术,1995,29(4):74～76.

3　何湘宁.IG B T逆变器用集成电路驱动器.十一届电源学会年会文集,1995(11):480～484.

4　倪本来.M57959L/M57962L混合集成IG B T驱动器.十一届电源学会年会文集,1995(11):463～470.

收稿日期:1997206220

定稿日期:1998203202

作者简介

尹　海:男,1956年1月生,硕士,副教授。研究方向为现代电力电子应用技术及自动化技术。李思海:男,1964年11月生,讲师。研究方向为现代电力电子应用技术及自动化技术。

张光东:男,1965年12月生,硕士,副教授。研究方向为大功率逆变电源及焊接自动化。