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    簡單易懂的IGBT驅動電路

    編輯 :

    深圳逸盛通科技有限公司

    時間 : 2018-11-07 21:02 瀏覽量 : 405

    IGBT


    IGBT是一種非常重要的電力電子器件。它不僅具有功率MOSFET的低驅動功率和高開關頻率的優點,而且具有大功率晶體管低導通電壓和高導通電流的優點。它可以在任何時間關斷導通電流,避免了普通晶閘管只能在半波內關斷的缺點。它是電力電子領域很有前途的大功率半導體器件。


    IGBT又稱絕緣柵雙極晶體管,是電力半導體器件第三次技術革命的代表產品。廣泛應用于軌道交通、航天、船舶驅動、智能電網、新能源、交流變頻、風力發電、電機驅動、汽車等行業。它自創立以來已經有大約30年了。它實現了12英寸的硅片和6500伏的高電平。

    igbt

    簡單易懂的IGBT驅動電路


     IGBT目前被廣泛使用的高功率開關,廣泛應用于各行業的電子器件中。IGBT的工作狀態直接影響電子產品的性能,IGBT驅動電路對整個系統顯得很重要,為避免IGBT發生常見的過流而使IGBT損壞問題,本文主要研究了IGBT的驅動和短路保護問題,就其工作原理進行分析,設計出具有過流保護功能的驅動電路。
      
     IGBT驅動電路圖如下:

    IGBT驅動電路圖 
    圖1  IGBT驅動電路圖

     
      本IGBT驅動電路具有的作用


      (1)該驅動電路能夠為IGBT提供+15v和-5V驅動電壓確保IGBT的開通和關斷。
      (2)具有過流保護功能,當過流時,保護電路起作用,及時的關斷IGBT,防止IGBT損壞。
      (3)本電路的可根據負載的需要動態調節最大電流,可以有很廣的使用范圍。
      (4)本驅動電路采用分立元件組成驅動電路,降低整個系統的成本。
     
      IGBT驅動電路功能詳解


      圖1中,高速光耦6N137實現輸入輸出信號的電氣隔離,能夠達到很好的電氣隔離,適合高頻應用場合。驅動主電路采用推挽輸出方式,有效地降低了驅動電路的輸出阻抗,提高了驅動能力,使之適合于大功率IGBT的驅動,過流保護電路運用退集電極飽和原理,在發生過流時及時的關斷IGBT,其中V1.V3.V4構成驅動脈沖放大電路。V1和R5構成一個射極跟隨器,該射極跟隨器提供了一個快速的電流源,減少了功率管的開通和關斷時間。利用集電極退飽和原理,D1、R6、R7和V2構成短路信號檢測電路.其中D1采用快速恢復二極管,為了防止IGBT關斷時其集電極上的高電壓竄入驅動電路。為了防止靜電使功率器件誤導通,在柵源之間并接雙向穩壓管D3和D4。如是IGBT的門極串聯電阻。
      正常工作時:
      當控制電路送來高電平信號時,光耦6N137導通,V1、V2截止,V3導通而V4截止,該驅動電路向IBGT提供+15V的驅動開啟電壓,使IGBT開通。


    當控制電路送來低電平信號時,光耦6N137截至,VI、V2導通。V4導通而v3截止,該驅動電路向IBGT提供-5v的電壓,使IGBT關閉。
      當過流時:


      當電路出現短路故障時,上、下橋直通此時+15V的電壓幾乎全加在IGBT上.產生很大的電流,此時在短路信號檢測電路中v2截止,A點的電位取決于D1、R6、R7和Vces的分壓決定,當主電路正常工作時,且IGBT導通時,A點保持低電平,從而低于B點電位。所有A1輸出低電平,此時V5截止,而c點為高電平,所以正常工作時。輸入到光耦6N137的信號始終和輸出保持一致。當發生過流時,IGBT集電極退飽和,A點電位升高,當高于B電位(即是所設置的電位)時,即是當電流超過設計定值時,A1翻轉而輸出高電平,V5導通,從而將C點的電位箝在低電位狀態,使與門4081始終輸出低電平,即無論控制電路送來是高電平或是低電平,輸人到光耦6N137的信號始終都是低電平,從而關斷功率管。從而達到過流保護。直到將電路的故障排除后,重新啟動電路。
      IGBT驅動電路設計過程:


      IGBT是電壓型控制器件,為了能使IGBT安全可靠地開通和關斷.其驅動電路必須滿足以下的條件:
      IGBT的柵電容比VMOSFET大得多,所以要提高其開關速度,就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯電阻。


      (1)門極電壓


      任何情況下,開通狀態的柵極驅動電壓都不能超過參數表給出的限定值(一般為20v),最佳門極正向偏置電壓為15v土10%。這個值足夠令IGBT飽和導通;使導通損耗減至最小。雖然門極電壓為零就可使IGBT處于截止狀態,但是為了減小關斷時間,提高IGBT的耐壓、dv/dt耐量和抗干擾能力,一般在使IGBT處于阻斷狀態時.可在門極與源極之間加一個-5~-15v的反向電壓。


      (2)門極串聯電阻心


      選擇合適的門極串聯電阻Rg對IGBT的驅動相當重要,Rg對開關損耗的影響見圖2。

    Rg對開關損耗的影響 
    圖2:Rg對開關損耗的影響

     
      IGBT的輸入阻抗高壓達109~1011,靜態時不需要直流電流.只需要對輸入電容進行充放電的動態電流。其直流增益可達108~109,幾乎不消耗功率。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩,減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖,需在柵極串聯電阻Rg,當Rg增大時,會使IGBT的通斷時間延長,能耗增加;而減少RF又會使di/dt增高,可能損壞IGBT。因此應根據IGBT電流容量和電壓額定值及開關頻率的不同,選擇合適的Rg,一般選心值為幾十歐姆至幾百歐姆。具體選擇Rg時.要參考器件的使用手冊。


      (3)驅動功率的要求


      IGBT的開關過程要消耗一定的來自驅動電源的功耗,門極正反向偏置電壓之差為△Vge,工作頻率為f,柵極電容為Cge,則
      電源的最少峰值電流為:

    電源的最少峰值電流計算公式 

      驅動電源的平均功率為:

    驅動電源的平均功率計算公式 

      (4)驅動電路須具有保護功能


      IGBT的過流保護就是當上、下橋臂直通時,電源電壓幾乎全加在了開關管兩端,此時將產生很大的短路電流,IGBT飽和壓降越小,其電流就會越大,從而損壞器件。當器件發生過流時,將短路電流及其關斷時的I—V運行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區,用在損壞器件之前,將IGBT關斷來避免開關管的損壞。


      IGBT驅動電路仿真實驗:


      本IGBT驅動電路在orCAD軟件的仿真圖形如下:


      向驅動電路輸入,高電平為+15v,低電平為-5v的方波信號。IGBT的輸出波形如圖3所示:

    IGBT輸出信號波形圖 

    圖3:IGBT輸出信號波形圖


      根據前面的原理和分析,該電路的實際電路輸出波形如圖4所示:

    實際電路輸出波形 
    圖4 實際電路輸出波形


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