要求
IGBT驅動器電路一個理想的 igbt 驅動器應具有以下基本性能: (1)動態驅動能力強 ,能為 igbt 柵極提供具有陡峭前後沿的驅動脈衝。當 igbt 在硬開關方式下工作時 ,會在開通及關斷過程中產生較大的開關損耗。這個過程越長 ,開關損耗越大。器件工作頻率較高時 ,開關損耗甚至會大大超過 igbt 通態損耗 ,造成管芯溫升較高。 這種情況會大大限制 igbt 的開關頻率和輸出能力 ,同時對 igbt的安全工作構成很大威脅。 igbt的開關速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關。igbt 的柵源特性呈非線性電容性質 ,因此 ,驅動器須具有足夠的瞬時電流吞吐能力 ,才能使 igbt 柵源電壓建立或消失得足夠快 ,從而使開關損耗降至較低的水平。 另一方面 ,驅動器內阻也不能過小 ,以免驅動迴路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振盪。同時 ,過短的開關時間也會造成主迴路過高的電流尖峰 ,這既對主迴路安全不利 ,也容易在控制電路中造成干擾。 ( 2) 能向 igbt提供適當的正向柵壓 。 igbt導通後的管壓降與所加柵源電壓有關 ,在漏源電流一定的情況下 , u 越高 , u 就越低 ,gs ds器件的導通損耗就越小 ,這有利於充分發揮管子的工作能力。但是 並非越高越好 一般, ugs ,不允許超過 原因是一旦發生過流或短路20v , ,柵壓越高 則電流幅值越高 損壞的可能, ,igbt性就越大。通常 ,綜合考慮取 +15v 為宜。 (3) 能向 igbt 提供足夠的反向柵壓。在igbt關斷期間 ,由於電路中其它部分的工作 ,會在柵極電路中產生一些高頻振盪信號。這些信號輕則會使本該截止的 igbt 處於微通狀態 ,增加管子的功耗 ,重則將使逆變電路處於短路直通狀態。因此 ,最好給應處於截止狀態的igbt加一反向柵壓(幅值一般為 5～15v) ,使igbt在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。 (4)有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設備中 與工頻電網有直接電聯繫 而,igbt ,控制電路一般不希望如此。另外許多電路(如橋式逆變器)中的 的工作電位差別很大igbt ,也不允許控制電路與其直接耦合。因此 驅動,器具有電隔離能力可以保證設備的正常工作 ,同時有利於維修調試人員的人身安全。但是 ,這種電隔離不應影響驅動信號的正常傳輸。 (5) 具有柵壓限幅電路 ,保護柵極不被擊穿。igbt柵極極限電壓一般為 ±20v ,驅動信號超出此範圍就可能破壞柵極。(6)輸入輸出信號傳輸無延時。這一方面能夠減少系統回響滯後 ,另一方面能提高保護的快速性。 (7)電路簡單 ,成本低。 (8) igbt損壞時 ,驅動電路中的其它元件不會隨之損壞。igbt燒毀時 ,集電極上的高電壓往往會通過已被破壞的柵極竄入驅動電路 ,從而破壞其中的某些元件。 由於 igbt 承受過流或短路的能力有限 ,故 igbt驅動器還應具有如下功能: (9)當 igbt處於負載短路或過流狀態時 ,能在 igbt允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流 ,實現 igbt 的軟關斷。其目的是避免快速關斷故障電流造成過高的 di/ dt。 在雜散電感的作用下 ,過高的 di/ dt 會產生過高的電壓尖峰 ,使 igbt 承受不住而損壞。同理 ,驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響 ,即應具有定時邏輯柵壓控制的功能。當出現過流時 ,無論此時有無輸入信號 ,都應無條件地實現軟關斷。 在各種設備中 ,二極體的反向恢復、電磁性負載的分布電容及關斷吸收電路等都會在igbt開通時造成尖峰電流。驅動器應具備抑制這一瞬時過流的能力 ,在尖峰電流過後 ,應能恢復正常柵壓 ,保證電路的正常工作。 (10)在出現短路、過流的情況下 ,能迅速發出過流保護信號 ,供控制電路進行處理。
結構特點
目前 ,供 igbt 使用的驅動電路形式多種多樣 ,各自的功能也不盡相同。從綜合的觀點看 ,還沒有一種十全十美的電路。 從電路隔離方式看,igbt驅動器可分成兩大類,一類採用光電耦合器,另一類採用脈衝變壓器,兩者均可實現信號的傳輸及電路的隔離。 下面以日本富士公司的 exb841 驅動器為例 ,簡單說明光電耦合驅動器的工作原理(見圖) 。圖中 + 20v驅動電源通過r1 和v5 分為+15v及 + 5v兩部分。當來自控制電路的控制脈衝進入光電耦合器v1 後 ,放大器使v3 導通 ,gbt柵極即得到一個 +15v 驅動信號並導通。當控制信號消失後 ,v4 導通 ,此時 igbt 即得到一個 - 5v 的柵源電壓並截止。igbt在導通期間過流時 ,會脫離飽和狀態 ,此時 , uds升高。 驅動器內的保護電路通過 v6 檢測到這一狀態後 ,一方面在 10μs 內逐步降低柵壓 ,使 igbt進入軟關斷狀態 ,另一方面通過光耦 v2 向控制電路發出過流信號。 光電耦合驅動器的最大特點是雙側都是有源的 ,由它提供的正向脈衝及負向封鎖脈衝的寬度可以不受限制 ,而且可以較容易地通過檢測 igbt通態集電極電壓實現各種情況下的過流及短路保護 ,並對外送出過流信號。目前國內外都趨向於把這種驅動器做成厚膜電路的形式 ,因此具有使用較方便 ,一致性及穩定性較好的優點。其不足之處是需要較多的工作電源。 例如 ,全橋式開關電源一般需要四個工作電源 ,從而增加了電路的複雜性。驅動器中的光電耦合器儘管速度較高 ,但對脈衝信號仍會有 1μs左右的滯後時間 ,不適應某些要求較高的場合。 光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流2500v ,這對某些場合是不夠的。例如 ,許多逆變焊機的輸出直接反饋到控制電路 ,而國家的有關標準卻規定焊機輸入輸出之間應能承受交流 電壓 從而給電路的設計增加了困4000v ,難。另外 一旦 燒壞 驅動器通常也隨之, igbt ,燒毀 從而增加了維修的複雜性及費用。 ,
選擇
1 確定igbt門極容量 在設計和選購igbt 驅動器之前,必須首先知道igbt 的門極負荷q,這是一個十分重要的參數,但在igbt 的技術參數中生產廠家一般並不直接給出,而需要我們藉助其它參數得到。igbt 具有mosfet 的輸入級,在igbt的技術資料中往往有一個參數ciss,一般我們把它叫作輸入電容,該電容的測試往往是在ugs=0,uos=25v,f=1mhz 的情況下進行,由於密勒效應, 該值往往比在ugs= o v 時要小,根據實踐經驗,igbt 的輸入電容一般滿足下面的公式 cin≈5ciss 一般simens 和 eupec 公司的igbt 滿足上述公式。 知道了igbt 的輸入電容cin,門極的負荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表門極的驅動電壓, 大多數的igbt 開通電壓+15v,關斷電壓-5v,因而△u= 2 0 v , 如套用十分廣泛的e x b 8 4 1 系列。高電壓、大電流igbt 往往開通關斷均為15v,因而△ u= 3 0 v 。 2 開關頻率確定 開關頻率的大小不僅影響系統的控制精度,而且影響系統的整體性能,如運行效率,噪聲指標。開關頻率是所有電力電子變換器的一個重要參數。 根據igbt 的門極容量,儲存在igbt 輸入電容中的能量可以計算得到 每個脈衝周期柵極充放電各一次,因而驅動一隻igbt 的功率為: f 為開關頻率。驅動器的平均輸出電流iout可以這樣得到: p=iout * △u 比較上面兩式q=iout / f 驅動器的平均電流在數據文檔可以找到,則igbt的最大允許開關頻率可以得到: 。 3 門極驅動電阻rg的選取 igbt 的開關時間是由驅動器對igbt 的輸入電容的充放電來控制, 增加門極輸出電流,igbt 開通時間和關斷時間會相應縮短,開關損耗也會降低, rg主要是用來限制門極輸出的降值電流, rg可由下式確定: rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驅動器數據文檔中找到。有些情況下,充放電峰值電流不同,門極電阻可以分別選取。 4 igbt驅動器的比較選擇 4.1 光電耦合和變壓器耦合式比較 光電耦合隔離式採用直流電源,輸出脈衝寬度可調。通過檢測集電極電壓實現過電流保護。具有使用方便穩定性好的優點。缺點是雙側均採用電源,電路複雜。比如exb841驅動器,光電耦合器輸入與輸出之間耐壓一般較低為交流2500v,但實際使用中設備承受力不符合其條件,給使用帶來限制。另外,一旦igbt 燒壞,驅動器受到損壞給維修帶來不便且不經濟。 變壓器耦合隔離式不用專設的電源,線路簡單, 輸入輸出間耐壓高, 成本低、回響快.缺點是igbt 關斷期間得不到持續的反向門極電壓,抗干擾能力差,且輸出脈衝寬度不可調,不能實現過電流保護,並且由於漏感的存在使繞組的繞制工藝複雜容易出現振盪。 4.2 igbt 驅動器選擇 目前市場上可見的驅動器:光電耦合隔離驅動器有日本富士exb841,國內落木源電子ka101,日本英達hr065等。變壓器隔離式驅動器有美國unitrode公司uc3724-3725系列,還有專用的用來驅動一個橋臂上2個igbt的美國ir公司的ir2110及國內落木源電子的kd303，還有德國西門子公司的skh121等。可供選用的範圍很廣,套用方便。但使用時應注意過電流問題, 比如exb841 系列驅動器,採用era34-10 型快速二極體, 導通電壓為3v , 反向耐壓採用與igbt 相同的等級.可以實現自身過電流保護,但若igbt 過電流對其壽命是有影響的。解決辦法是: ①反串穩壓管, 限制igbt 的電流為200a,使工作穩定可靠且電路簡單;②採用電流感測器進行直接限流.上述幾種驅動器由窄脈衝過電流無法限制,應採用別的措施,在此不一一論述。
