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解讀各種IGBT驅動電路和IGBT保護方法

發(fā)布時間:2013-08-08 來源:電子元件技術網 責任編輯:Cynthiali

【導讀】保證IGBT的可靠工作,驅動電路起著至關重要的作用,本文討論IGBT驅動電路和IGBT的保護,包括驅動電路EXB841/840、M57959L/M57962L厚膜驅動電路、2SD315A集成驅動模塊、IGBT短路失效機理和IGBT過流保護方法。

驅動電路的作用是將單片機輸出的脈沖進行功率放大,以驅動IGBT。保證IGBT的可靠工作,驅動電路起著至關重要的作用,對IGBT驅動電路的基本要求如下:

(1) 提供適當的正向和反向輸出電壓,使IGBT可靠的開通和關斷。
(2) 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流,使IGBT能迅速建立柵控電場而導通。
(3) 盡可能小的輸入輸出延遲時間,以提高工作效率。
(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能,使信號電路與柵極驅動電路絕緣。
(5) 具有靈敏的過流保護能力。

第一種驅動電路EXB841/840

EXB841工作原理如圖1,當EXB841的14腳和15腳有10mA的電流流過1us以后IGBT正常開通,VCE下降至3V左右,6腳電壓被鉗制在8V左右,由 于VS1穩(wěn)壓值是13V,所以不會被擊穿,V3不導通,E點的電位約為20V,二極管VD,截止,不影響V4和V5正常工作。

當14腳和15腳無電流流過,則V1和V2導通,V2的導通使V4截止、V5導通,IGBT柵極電荷通過V5迅速放電,引腳3電位下降至0V,是IGBT柵一 射間承受5V左右的負偏壓,IGBT可靠關斷,同時VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C2的放電使得B點電位為0V,則V S1仍然不導通,后續(xù)電 路不動作,IGBT正常關斷。

如有過流發(fā)生,IGBT的V CE過大使得VD2截止,使得VS1擊穿,V3導通,C4通過R7放電,D點電位下降,從而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低 ,完成慢關斷,實現對IGBT的保護。由EXB841實現過流保護的過程可知,EXB841判定過電流的主要依據是6腳的電壓,6腳的電壓不僅與VCE 有關,還和二極管VD2的導通電壓Vd有關。

第一種驅動電路EXB841/840

典型接線方法如圖2,使用時注意如下幾點:

a、 IGBT柵-射極驅動回路往返接線不能太長(一般應該小于1m),并且應該采用雙絞線接法,防止干擾。
b、 由于IGBT集電極產生較大的電壓尖脈沖,增加IGBT柵極串聯電阻RG有利于其安全工作。但是柵極電阻RG不能太大也不能太小,如果 RG增大,則開通關斷時間延長,使得開通能耗增加;相反,如果RG太小,則使得di/dt增加,容易產生誤導通。
c、 圖中電容C用來吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化,并不是電源的供電濾波電容,一般取值為47 F。
d、 6腳過電流保護取樣信號連接端,通過快恢復二極管接IGBT集電極。
e、 14、15接驅動信號,一般14腳接脈沖形成部分的地,15腳接輸入信號的正端,15端的輸入電流一般應該小于20mA,故在15腳前加限流 電阻。
f、 為了保證可靠的關斷與導通,在柵射極加穩(wěn)壓二極管。

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下頁內容:M57959L/M57962L厚膜驅動電路
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第二種 M57959L/M57962L厚膜驅動電路

M57959L/M57962L厚膜驅動電路采用雙電源(+15V,-10V)供電,輸出負偏壓為-10V,輸入輸出電平與TTL電平兼容,配有短路/過載保護和 封閉性短路保護功能,同時具有延時保護特性。其分別適合于驅動1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其以下的 IGBT。M57959L/M57962L在驅動中小功率的IGBT時,驅動效果和各項性能表現優(yōu)良,但當其工作在高頻下時,其脈沖前后沿變的較差,即信 號的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內部采用印刷電路板設計,散熱不是很好,容易因過熱造成內部器件的燒毀。

日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅動芯片它可以作為600V/200A或者1200V/100A的IGBT驅動。其最高頻率也達40KHz,采用雙電源 供電(+15V和-15V)輸出電流峰值為±2A,M57959L有以下特點:

(1) 采用光耦實現電器隔離,光耦是快速型的,適合20KHz左右的高頻開關運行,光耦的原邊已串聯限流電阻,可將5V電壓直接加到輸入 側。
(2) 如果采用雙電源驅動技術,輸出負柵壓比較高,電源電壓的極限值為+18V/-15V,一般取+15V/-10V。
(3) 信號傳輸延遲時間短,低電平—高電平的傳輸延時以及高電平—低電平的傳輸延時時間都在1。5μs以下。
(4) 具有過流保護功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流,一旦過流,M57962L就會將對IGBT實施軟關斷,并輸出過 流故障信號。
(5) M57959的內部結構如圖所示,這一電路的驅動部分與EXB系列相仿,但是過流保護方面有所不同。過流檢測仍采用電壓采樣,電路特 點是采用柵壓緩降,實現IGBT軟關斷,

避免了關斷中過電壓和大電流沖擊;另外,在關斷過程中,輸入控制信號的狀態(tài)失去作用,既保護關 斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當保護開始時,立即送出故障信號,目的是切斷控制信號,包括電路中其它有源器件。

解讀各種IGBT驅動電路和IGBT保護方法

第三種 2SD315A集成驅動模塊

集成驅動模塊采用+15V單電源供電,內部集成有過流保護電路,其最大的特點是具有安全性、智能性與易用性。2SD315A能輸出很大的峰 值電流(最大瞬時輸出電流可達±15A),具有很強的驅動能力和很高的隔離電壓能力(4000V)。2SD315A具有兩個驅動輸出通道,適合于驅 動等級為1200V/1700V極其以上的兩個單管或一個半橋式的雙單元大功率IGBT模塊。其中在作為半橋驅動器使用的時候,可以很方便地 設置死區(qū)時間。

2SD315A內部主要有三大功能模塊構成,分別是LDI(Logic To Driver Interface,邏輯驅動轉換接口)、IGD(Intelligent Gate Driver,智能門極驅動)和輸入與輸出相互絕緣的DC/DC轉換器。當外部輸入PWM信號后,由LDI進行編碼處理,為保證信號不受外界條件的 干擾,處理過的信號在進入IGD前需用高頻隔離變壓器進行電氣隔離。從隔離變壓器另一側接收到的信號首先在IGD單元進行解碼,并把 解碼后的PWM信號進行放大(±15V/±15A)以驅動外接大功率IGBT。當智能門極驅動單元IGD內的過流和短路保護電路檢測到IGBT發(fā)生過 流和短路故障時,由封鎖時間邏輯電路和狀態(tài)確認電路產生相應的響應時間和封鎖時間,并把此時的狀態(tài)信號進行編碼送到邏輯控制單 元LDI。LDI單元對傳送來的IGBT工作狀態(tài)信號進行解碼處理,使之在控制回路中得以處理。為防止2SD315A的兩路輸出驅動信號相互干擾 ,由DC/DC轉換器提供彼此隔離的電源供電。

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下頁內容:2SD315使用注意事項和IGBT保護
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2SD315使用時注意事項:

a、工作模式

驅動模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源,輸入引腳RC1和RC2接地,為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V,信號輸入管腳InA、InB連 接在一起接收來自單片機的脈沖信號。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳輸出通道的工作狀態(tài)。當MOD接地時,MOD接地。通常半橋模式都是驅動一個直流母線上的一個橋臂,為避免上下橋臂直通必須設置死區(qū)時間,在死區(qū)時間里兩個 管子同時關斷。因此,RC 1, RC2端子必須根據要求外接RC網絡來產生死區(qū)時間,死區(qū)時間一般可以從100n,到幾個ms。圖中所示的RC 1,  RC2分別連接lOk。的電阻和100pF的電容,這樣產生的死區(qū)時間大約是500ns。

b、端口VL/Reset

這個端子是用來定義具有施密特性質的輸入InA和InB的,使得輸入在2/3VL時開通,在I/3 VL時作為關斷信號。當PWM信號是TTL電平時, 該端子連接如圖3-5所示,當輸入InA和InB信號為15V的時候,該端子應該通過一個大約1K左右的電阻連接到++15V電源上,這樣開啟和關 斷電壓分別應該是lov和5V。另外,輸入UL/Reset端還有另外的功能:如果其接地,則邏輯驅動接口單元l。DI001內的錯誤信息被清除。

c、門極輸出端

門極輸出Gx端子接電力半導體的門極,當SCALE驅動器用15V供電的時候,門極輸出土15V。負的門極電壓由驅動器內部產生。使用如圖3-6 結構的電路可以實現開通和關斷的速度的不一樣,增加了用戶使用的靈活性。

d、布局和布線

驅動器應該盡可能近的和功率半導體放在一起,這樣從驅動器到電力晶體管的引線就會盡可能的短,一般來說驅動器的連線盡量不要長 過10厘米。同時一般要求到集電極和發(fā)射極的引線采用絞合線,還有可以在IGBT的門極和發(fā)射極之間連接一對齊納穩(wěn)壓二極管(15~18V) 來保護IGBT不會被擊穿。

解讀各種IGBT驅動電路和IGBT保護方法

驅動模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源,輸入引腳RC1和RC2接地,為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V,信號輸入管腳InA、InB連 接在一起接收來自單片機的脈沖信號,進行同步控制。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳外接三極管和光耦用來向單片機輸出兩輸出通道的 工作狀態(tài),其輸出端結構皆為集電極開路輸出,可以通過外接上拉電阻以適用于各種電平邏輯。在管腳SO1、SO2和電源之間,以及VisoX 和LSX之間加發(fā)光二極管進行故障指示。正常情況下SO1和SO2輸出皆為高電平,上電后D3和D4先亮,延時幾秒后熄滅,同時D8和D15發(fā)亮。

當檢測到故障信號時,SO1和SO2的輸出電平被拉低到地,即D3和D4發(fā)亮,同時D8和D15閃爍。2SD315A是通過監(jiān)測UCE(sat)來判斷回路是否 短路和過流,當檢測到一路或兩路發(fā)生過流現象時,檢測電路會把異常狀態(tài)回饋到驅動模塊,驅動模塊內部會產生一個故障信號并將它 鎖存,鎖存時間為1s,在這段時間內,驅動模塊不再輸出信號,而是將兩組IGBT及時關斷予以保護。同時,狀態(tài)輸出管腳SO1和SO2的高電平 被拉低,光耦TLP521導通,兩路狀態(tài)信號通過或門74LS32送給單片機。為防止因關斷速度太快在IGBT的集電極上產生很高的反電動勢,在 門極輸出端采用如圖3。11所示的電路結構實現開通和關斷速度的不同。開通時門極電阻為3。4Ω,關斷時電阻為6。8Ω,二極管采用快恢 復型,這樣就使關斷速度下降到安全水平。這是一張縮略圖,點擊可放大。按住CTRL,滾動鼠標滾輪可自由縮放

IGBT短路失效機理

IGBT負載短路下的幾種后果

(1) 超過熱極限:半導體的本征溫度極限為250℃,當結溫超過本征溫度,器件將喪失阻斷能力,IGBT負載短路時,由于短路電流時結溫升 高,一旦超過其熱極限時,門級保護也相應失效。
(2) 電流擎住效應:正常工作電流下,IGBT由于薄層電阻Rs很小,沒有電流擎住現象,但在短路狀態(tài)下,由于短路電流很大,當Rs上的壓降 高于0。7V時,使J1正偏,產生電流擎住,門級便失去電壓控制。
(3) 關斷過電壓:為了抑制短路電流,當故障發(fā)生時,控制電路立即撤去正門級電壓,將IGBT關斷,短路電流相應下降。由于短路電流大, 因此,關斷中電流下降率很高,在布線電感中將感生很高的電壓,尤其是在器件內封裝引線電感上的這種感應電壓很難抑制,它將使器件 有過電流變?yōu)殛P斷過電壓而失效

IGBT過流保護方法

(1) 減壓法:是指在故障出現時,降低門級電壓。由于短路電流比例于外加正門級電壓Ug1,因此在故障時,可將正門級電壓降低。
(2) 切斷脈沖方法:由于在過流時,Uce電壓升高,我們利用檢測集電極電壓的方法來判斷是否過流,如果過流,就切斷觸發(fā)脈沖。同時盡 量采用軟關斷方式,緩解短路電流的下降率,避免產生過電壓造成對IGBT的損壞
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