随着电力电子装置的核心部件IGBT性能提高和价格的大幅度价低越来越受到广泛应用。因为IGBT集功率MOSFET和双极型功率晶体管于一体,具有电压控制、驱动功率小、输入阻抗大、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。但
IGBT本身的耐冲击差使其在电路设计上对电路条件和开关环境的依赖性特别高。因此,IGBT的驱动电路和保护电路的设计难度大,微小细节的考虑比之可控硅等普通传统电力电子器件要周全,要合理。IGBT在电机控制器,电动机调速器,马达驱动器,各种传动设备,传动装置中应用广泛,所以设计出一套合理,精致,稳定的IGBT电路非常关键。
为解决IGBT驱动的可靠问题,国内外IGBT生产厂家,应用企业开研制众多IGBT驱动集成电路或模块,如国内富士公司EXB8系列,三菱电机公司M579系列,美国IR公司IR21系列等。但是几乎没有软关断和电源电压欠压保护功能,而惠普HCLP316J有过流欠压保护,软关断功能耐压1700V,200~300A IGBT的驱动和保护电路。
1 IGBT的工作特性
IGBT属于电压型电力电子控制器件,它所需要的驱动功率及驱动电流很小,可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的,当UGE大于开启电压UGE(th)时IGBT导通,当栅极和发射极间施加反向或不加信号时IGBT被关断。
IGBT与普通晶体三极管一样,可工作在线性放大区、饱和区和截止区,其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态,使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。
2 IGBT驱动电路要求
IGBT驱动设计必须遵循如下要点:。
1) 正向驱动电压的大小对栅极的电路性能产生重要影响,必须正确选择。当正向驱动电压增大时,IGBT的导通电阻下降,使开通损耗减小;但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大,可能使IGBT出现擎住效应,导致门控失效,从而造成IGBT的损坏;若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域,使IGBT过热损坏;使用中选12V≤UGE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般负偏置电压选一5V为宜。另外,IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。
2)IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大,因为高速开通和关断时,会产生很高的尖峰电压,极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。
3)选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小,栅射极之间的充放电时间常数比较小,会使开通瞬间电流较大,从而损坏IGBT;RG较大,有利于抑制dvce/dt,但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dic/dt,CG太大,开通时间延时,CG太小对抑制dic/dt效果不明显。
4)当IGBT关断时,栅射电压很容易受
IGBT和电路寄生参数的干扰,使栅射电压引起器件误导通,为防止这种现象发生,可以在栅射间并接一个电阻。此外,在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰,最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管,其稳压值应与正负栅压相同。IGBT驱动电路设计理念和设计思路多元复杂,IGBT的保护电路设计也必须全面周全。因为IGBT在电机传动设备,调速器控制器领域的关键性依赖性日趋重要,所以如何
设计大功率高压IGBT驱动电路和保护电路甚至精品电路一直受到业界高度关注。