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IGBT模块的一种驱动设计




关键词:

1 引言

近年来,新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比,IGBI、具有以下特点:高输入阻抗,可采用通用低成本的驱动线路;高速开关特性;导通状态低损耗。IGBT在综合性能方面占有明显优势,广泛应用于工作频率为几十千赫兹,输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置。在设计驱动电路时,主要考虑以下参数:IGBT的额定值、短路电流特性、感性负载的关断特性、最大栅极发射极电压、栅极输入电容、安全工作区特性。

光电耦合驱动器件的输入、输出都是有源的,其正向脉冲及负向闭锁脉冲的宽度不受限制,可容易地通过检测IGBT通态集电极电压实现过流及短路保护,并向微处理器发出过流报警信号。

2 IGBT下桥臂驱动器件HCPL-316J

HCPL-316J的主要特征:16引脚双列直插封装;可驱动150 A/1 200 V的IGBT;宽电源电压范围为15 V~30 V;最大开关时间为0.5μs;死区时间为2μs;兼容CMOS/TTL电平;具有光隔离、故障状态反馈功能;IGBT“软”关断;VCE欠饱和检测及带滞环欠压锁定保护;用户可配置自动复位、自动关闭。最小共模抑制15 kV/μs(VCM=1500 V时);具有过流关断、欠压封锁功能;当线路过流或VCC欠压时可自动闭锁所有输出,并发出报警信号;当高侧的悬浮偏置电压源欠压时,可通过其内部的欠压自锁电路将3路高侧输出封锁。

HCPL-316J具有过流检测和欠压闭锁输出(under voltage lock-out)功能。过流时,输出故障信号,IGBT软关断;电源电压范围为15 V~30 V,在VCM=1 500 V下,最小共模抑制(CMR)电压为15kV/μs,用户可设定正/负逻辑输入、自动复位和自动关断。

图1为HCPL-316J内部结构图。光耦管LED1组成输入控制电路,VIN+和VIN-分别为正/负逻辑输入端。当输入负逻辑信号时,VIN+置为高电平,VIN-接输入信号;反之,当输入正逻辑信号时,则VIN-置为低电平,VIN+接输入信号。输入信号门电路由LED1传送到内部驱动电路并转换为IGBT的门极驱动信号。光耦管LED2等组成故障信号控制电路,该驱动器7引脚悬空,8引脚接地,VCC1和GND1为输入侧电源,VCC2和VEE为输出侧电源,VC为推挽式输出三极管集电极的电源可直接与VCC2相接,或者串联一只电阻RC以限制输出导通电流,VOUT为门极驱动电压输出端。可以在被驱动的功率器件过流或门极驱动电路自身电源发生故障时,对被驱动的IGBT进行快速有效地保护。该系列驱动器只需一个非隔离的+15 V电源;具有高dv/dt容量;保护功能完善;故障记忆,通过FAULT信号告知控制系统;上下互锁,避免同一桥臂两只IGBT同时开通;栅极电阻外部可调,使用不同功率的IGBT时都能工作在较高的开关频率下,并得到高转换效率。

由LED2等组成的故障保护电路,DESAT为过流检测输入端,通过串联电阻和箝位二极管与IGBT集电极相连。正常状态下,不可能检测到过流故障,FAULT为低电平,RS触发器输出端Q保持低电平,确保输入信号通过发光二极管LED1,且故障信号输出FAULT为高电平,复位端RESET对输入通道不起作用。若DESAT检测到过流信号(DESAT端电压超过7 V),则FAULT为高电平。该信号经内部逻辑一方面闭锁驱动器输出及LED1的输入信号,另一方面使LED2导通,RS触发器输出端Q为高电平,故障输出FAULT为低电平,通知外部微机。当IGBT发生过流。驱动器输出电平下降,使IGBT软关断,以避免突然关断时因产生过压而导致IGBT损坏。另外,由于故障输出端FAULT为集电极开路,可实现多个器件的FAULT并联到微机上。

FAULT发生故障后一直保持低电平,直至RESET输入复位为低电平信号。

在利用下臂驱动器驱动比150 A/1 200 V更大的IGBT时,可外接电流缓冲器,以扩大其驱动能力。由图2的工作时序可知,当DESAT端电压超过7 V时,产生过流。IGBT下桥臂的驱动电路图如图3所示。

图3中电源+5 V、VB+、VB-(VB+与VB-的电压均为25 V)为器件提供工作电压。与16引脚相连的电位符号IGBTBE和IGBT模块下桥臂的发射极相连,与11引脚相连的IGBTBG1~3分别和下桥臂的门极相接,控制IGBT的导通和关断。当14引脚DESAT的电压高于7 V检测到过流信号或VCC欠压时,6引脚FAULT为低电平,器件自动闭锁所有输出,用于保护IGBT模块,同时向微处理器发出一个报警信号。

3 上桥臂驱动器HCPL-3120

上桥臂驱动HCPL-3120是由磷砷化镓光耦合器和功率输出电路组成,其主要特征:8引脚双列直插封装;驱动电路的最大输出电流峰值为2.0 A;最小共模抑制比为15 kV/μs;最大低电平为0.5 V,无需栅极负压;最大供电电流为5 mA;电源电压范围为15 V~30 V;最大开关速度为0.5斗s;具有滞环欠压锁定输出(UVLO)功能。HCPL-3120的内部结构框图如图4所示。HCPL-3120输出电路具有宽限工作电压范围,使其易于提供门控器件所需的驱动电压。它适于额定容量为1 200 V/100 A的IGBT。对于更高容量的IGBT,可外接电流缓冲器,以扩展其驱动能力。上桥臂IGBT驱动电路的原理图如图5所示。



图5中。VU+与VU-电压为25 V,输出端(Vo)IGBTTG1和IGBT模块上桥臂中U项的一个门极相连接,IGBTTE1和发射极相连接,从而控制IGBT的导通和关断。

4 实验结果及分析

图6是测试时从示波器上获取的。从图中看到正向驱动电压为+16.5 V,负向驱动电压为-7.5 V;采用此种方式能够有效、快速地导通和关断IGBT,减少了导通和关断过程中的损耗。

5 结束语

该系统设计在充分利用和满足IGBT模块的特点和要求的情况下,着重研究了IGBT的驱动和保护特性,选用了驱动器件HCPL-316J、HCPL-3120对其驱动和保护,满足了IGBT的导通和关断动态要求,使IGBT具有较高的可靠性。

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