IGBT驱动器的选择 (2008-11-19 11:55:32) 冯菁
(华中光电技术研究所湖北武汉 430074)
摘 要:随着电力电子技术的发展,IGBT 以其优异的性能已经取代BJT 广泛应用于航空航天,工业控制, 家用电子消费领域。在IGBT 的应用中, 根据系统要求的整体性能, 针对不同的IGBT 特性选取合适的驱动器是至关重要的, 它不仅影响了IGBT 的动态性能, 同时也影响系统的成本和可靠性。根据IGBT 对驱动电路的要求,就其中常用3 种不同驱动电路及选择时注意事项作了分析,使IGBT 的应用更广泛。
关键词:IGBT 驱动器
扭力梁式半独立悬架
1 确定IGBT门极容量
在设计和选购IGBT 驱动器之前,必须首先知道IGBT 的门极负荷Q,这是一个十分重要的参数,但在IGBT 的技术参数中生产厂家一般并不直接给出,而需要我们借助其它参数得到。IGBT 具有MOSFET 的输入级,在IGBT的技术资料中往往有一个参数Ciss,一般我们把它叫作输入电容,该电容的测试往往是在UGS=0,UcS=25V,f=1MHz 的情况下进行,由于密勒效应, 该值往往比在UGS= O V 时要小,根据实践经验,IGBT 的输入电容一般满足下面的公式
Cin≈5Ciss
一般Simens 和 Eupec 公司的IGBT 满足上述公式。
知道了IGBT 的输入电容Cin,门极的负荷可以由下面公式得到
快速厌氧胶Q=∫oidt= Cin △ U。
△ U 代表门极的驱动电压, 大多数的IGBT 开通电压+15V,关断电压-5V,因而△U= 2 0 V , 如应用十分广泛的E X B 8 4 1 系列。高电压、大电流IGBT 往往开通关断均为15V,因而△ U= 3 0 V 。
2 开关频率确定neor
开关频率的大小不仅影响系统的控制精度,而且影响系统的整体性能,如运行效率,噪声指标。开关频率是所有电力电子变换器的一个重要参数。
根据IGBT 的门极容量,储存在IGBT 输入电容中的能量可以计算得到
每个脉冲周期栅极充放电各一次,因而驱动一只IGBT 的功率为:
f 为开关频率。
驱动器的平均输出电流Iout可以这样得到:
P=Iout * △U 比较上面两式Q=Iout / f 驱动器的平均电流在数据文档可以到,则IGBT主回路电阻的最
大允许开关频率可以得到: 。
3 门极驱动电阻Rg的选取
IGBT 的开关时间是由驱动器对IGBT 的输入电容的充放电来控制, 增加门极输出电流,IGBT 开通时间和关断时间会相应缩短,开关损耗也会降低, Rg主要是用来限制门极输出的降值电流, Rg可由下式确定:
Rg = △U / Ipeak
Ipeak一般可以在驱动器数据文档中到。有些情况下,充放电峰值电流不同,门极电阻可以分别选取。
4 IGBT驱动器的比较选择
4.1 光电耦合和变压器耦合式比较
光电耦合隔离式采用直流电源,输出脉冲宽度可调。通过检测集电极电压实现过电流保护。具有使用方便稳定性好的优点。缺点是双侧均采用电源,电路复杂。比如EXB841驱动器,光电耦合器输入与输出之间耐压一般较低为交流2500V,但实际使用中设备承受力不符合其条件,给使用带来限制。另外,一旦IGBT 烧坏,驱动器受到损坏给维修带来不便且不经济。 变压器耦合隔离式不用专设的电源,线路简单, 输入输出间耐压高, 成本低、响应快.缺点是IGBT 关断期间得不到持续的反向门极电压,抗干扰能力差,且输出脉冲宽度不可调,不能实现过电流保护,并且由于漏感的存在使绕组的绕制工艺复杂容易出现振荡。
4.2 IGBT 驱动器选择
目前市场上可见的驱动器:光电耦合隔离驱动器有日本富士EXB841,国内落木源电子KA101,日本英达HR065等。变压器隔离式驱动器有美国Unitrode公司UC3724-3725系列,还有专用的用来驱动一个桥臂上2个IGBT的美国IR公司的IR2110及国内落木源电子的KD303，还有德国西门子公司的SKH121等。可供选用的范围很广,应用方便。但使用时应注意过电流问题, 比如EXB841 系列驱动器,采用ERA34-10 型快速二极管, 导通电压为3V , 反向耐压采用与IGBT 相同的等级.可以实现自身过电流保护,但若IGBT 过电流对其寿命是有影响的。解
决办法是: ①反串稳压管, 限制IGBT 的电流为200A,使工作稳定可靠且电路简单;②采用电流传感器进行直接限流.上述几种驱动器由窄脉冲过电流无法限制,应采用别的措施,在此不一一论述。
5 结语
使用时应根据主电路的结构,了解各种驱动器的特性,使选择时减少盲目性,让电路既合理又简单。目前开关电源大多采用IGBT,其直流对地短路的可能性小,因此不用采用多的过电流措施。重点应放在防止发生直通现象。若IGBT 应用到变频中,采用光电耦合隔离式驱动器较合适。
IGBT的有关保护问题
时间:2007-08-21 来源: 作者:杨斌文 胡浩 张建 点击：1389 字体大小:【大 中 小】
摘要：全面论述了IGBT的过流保护、过压保护与过热保护的有关问题，并从实际应用中总结出各种保护方法，这些方法实用性强，保护效果好。 1 引言
IGBT(绝缘栅双极性晶体管)是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，因而广泛应用在变频器的逆变电路中。但由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。为此，必须但对IGBT进行相关保护 本文从实际应用出发，总结出了过流、过压与过热保护的相关问题和各种保护方法，实用性强，应用效果好。
2 过流保护
生产厂家对IGBT提供的安全工作区有严格的限制条件，且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒(SCR、GTR等器件承受过流时间为几十微秒)，耐过流量小，因此使用IGBT首要注意的是过流保护。产生过流的原因大致有：晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与电机绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。
对IGBT的过流检测保护分两种情况：
(1)驱动电路中无保护功能。这时在主电路中要设置过流检测器件。对于小容量变频器，一般是把电阻R直接串接在主电路中，如图1(a)所示，通过电阻两端的电压来反映电流的大小；对于大中容量变频器，因电流大，需用电流互感器TA(如霍尔传感器等)。电流互感器所接位置：一是像串电阻那样串接在主回路中，如图1(a)中的虚线所示；二是串接在每个IGBT上，如图1(b)所示。前者只用一个电流互感器检测流过IGBT的总电流，经济简单，但检测精度较差；后者直接反映每个IGBT的电流，测量精度高，但需6个电流互感器。过电流检测出来的电流信号，经光耦管向控制电路输出封锁信号，从而关断IGBT的触发，实现过流保护。
图1 IGBT的过流检测
(2)驱动电路中设有保护功能。如日本英达公司的HR065、富士电机的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驱动与保护功能于一体的集成电路(称为混合驱动模块)，其电流检测是利用在某一正向栅压Uge下，正向导通管压降Uce(ON)与集电极电流Ie成正比的特性，通过检测Uce(ON)的大小来判断Ie的大小，产品的可靠性高。不同型号的混合驱动模块，其输出能力、开关速度与du/dt的承受能力不同，使用时要根
据实际情况恰当选用。
由于混合驱动模块本身的过流保护临界电压动作值是固定的(一般为7～10V)，因而存在着一个与IGBT配合的问题。通常采用的方法是调整串联在IGBT集电极与驱动模块之间的二极管V的个数，如图2(a)所示，使这些二极管的通态压降之和等于或略大于驱动模块过流保护动作电压与IGBT的通态饱和压降Uce(ON)之差。
电力网桥
图2 混合驱动模块与IGBT过流保护的配合
上述用改变二极管的个数来调整过流保护动作点的方法，虽然简单实用，但精度不高。这是因为每个二极管的通态压降为固定值，使得驱动模块与IGBT集电极c之间的电压不能连续可调。在实际工作中，改进方法有两种：
(1)改变二极管的型号与个数相结合。例如，IGBT的通态饱和压降为2.65V，驱动模块过流保护临界动作电压值为7.84V时，那么整个二极管上的通态压降之和应为7.84-2.65=5.19V，此时选用7个硅二极管与1个锗二极管串联，其通态压降之和为0.7×7+0.3×1=5.20V(硅管视为0.7V，锗管视为0.3V)，则能较好地实现配合
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