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關(guān)于一種具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2013-01-10 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】絕緣柵雙極晶體管既具有MOSFET的工作速度快、開關(guān)頻率高、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn),又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),是取代GTR的理想開關(guān)器件。

IGBT目前被廣泛使用的具有自關(guān)斷能力的器件,廣泛應(yīng)用于各類固態(tài)電源中。IGBT的工作狀態(tài)直接影響整機(jī)的性能,所以合理的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整機(jī)顯得很重要,但是如果控制不當(dāng),它很容易損壞,其中一種就是發(fā)生過流而使IGBT損壞,本文主要研究了IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)問題,就其工作原理進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)出具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路,并進(jìn)行了仿真研究。

IGBT的驅(qū)動(dòng)要求和過流保護(hù)分析
  
IGBT的驅(qū)動(dòng)
  
IGBT是電壓型控制器件,為了能使IGBT安全可靠地開通和關(guān)斷.其驅(qū)動(dòng)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(guān)速度,就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯(lián)電阻。
  
(1)門極電壓
  
任何情況下,開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超過參數(shù)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(gè)值足夠令I(lǐng)GBT飽和導(dǎo)通;使導(dǎo)通損耗減至最小。雖然門極電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài),但是為了減小關(guān)斷時(shí)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(tài)時(shí).可在門極與源極之間加一個(gè)-5~-15v的反向電壓。
  
(2)門極串聯(lián)電阻心
  
選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要,Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響見圖1?!?/p>

Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響
圖1:Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響  

IGBT的輸入阻抗高壓達(dá)109~1011,靜態(tài)時(shí)不需要直流電流.只需要對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電的動(dòng)態(tài)電流。其直流增益可達(dá)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(lián)電阻Rg,當(dāng)Rg增大時(shí),會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長(zhǎng),能耗增加;而減少RF又會(huì)使di/dt增高,可能損壞IGBT。因此應(yīng)根據(jù)IGBT電流容量和電壓額定值及開關(guān)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(shí).要參考器件的使用手冊(cè)。
  
(3)驅(qū)動(dòng)功率的要求
  
IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動(dòng)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:
  
驅(qū)動(dòng)電源的平均功率為:
  
IGBT的過流保護(hù)
  
IGBT的過流保護(hù)就是當(dāng)上、下橋臂直通時(shí),電源電壓幾乎全加在了開關(guān)管兩端,此時(shí)將產(chǎn)生很大的短路電流,IGBT飽和壓降越小,其電流就會(huì)越大,從而損壞器件。當(dāng)器件發(fā)生過流時(shí),將短路電流及其關(guān)斷時(shí)的I—V運(yùn)行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區(qū),用在損壞器件之前,將IGBT關(guān)斷來避免開關(guān)管的損壞。

IGBT的驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路分析
  
根據(jù)以上的分析.本設(shè)計(jì)提出了一個(gè)具有過流保護(hù)功能的光耦隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)電路,如圖2。

IGBT驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路
圖2:IGBT驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路  

圖2中,高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的電氣隔離,能夠達(dá)到很好的電氣隔離,適合高頻應(yīng)用場(chǎng)合。驅(qū)動(dòng)主電路采用推挽輸出方式,有效地降低了驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗,提高了驅(qū)動(dòng)能力,使之適合于大功率IGBT的驅(qū)動(dòng),過流保護(hù)電路運(yùn)用退集電極飽和原理,在發(fā)生過流時(shí)及時(shí)的關(guān)斷IGBT,其中V1.V3.V4構(gòu)成驅(qū)動(dòng)脈沖放大電路。V1和R5構(gòu)成一個(gè)射極跟隨器,該射極跟隨器提供了一個(gè)快速的電流源,減少了功率管的開通和關(guān)斷時(shí)間。利用集電極退飽和原理,D1、R6、R7和V2構(gòu)成短路信號(hào)檢測(cè)電路.其中D1采用快速恢復(fù)二極管,為了防止IGBT關(guān)斷時(shí)其集電極上的高電壓竄入驅(qū)動(dòng)電路。為了防止靜電使功率器件誤導(dǎo)通,在柵源之間并接雙向穩(wěn)壓管D3和D4。如是IGBT的門極串聯(lián)電阻。

正常工作時(shí):
  
當(dāng)控制電路送來高電平信號(hào)時(shí),光耦6N137導(dǎo)通,V1、V2截止,V3導(dǎo)通而V4截止,該驅(qū)動(dòng)電路向IBGT提供+15V的驅(qū)動(dòng)開啟電壓,使IGBT開通。
  
當(dāng)控制電路送來低電平信號(hào)時(shí),光耦6N137截至,VI、V2導(dǎo)通。V4導(dǎo)通而v3截止,該驅(qū)動(dòng)電路向IBGT提供-5v的電壓,使IGBT關(guān)閉。
  
當(dāng)過流時(shí):
  
當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時(shí),上、下橋直通此時(shí)+15V的電壓幾乎全加在IGBT上.產(chǎn)生很大的電流,此時(shí)在短路信號(hào)檢測(cè)電路中v2截止,A點(diǎn)的電位取決于D1、R6、R7和Vces的分壓決定,當(dāng)主電路正常工作時(shí),且IGBT導(dǎo)通時(shí),A點(diǎn)保持低電平,從而低于B點(diǎn)電位。所有A1輸出低電平,此時(shí)V5截止,而c點(diǎn)為高電平,所以正常工作時(shí)。輸入到光耦6N137的信號(hào)始終和輸出保持一致。當(dāng)發(fā)生過流時(shí),IGBT集電極退飽和,A點(diǎn)電位升高,當(dāng)高于B電位(即是所設(shè)置的電位)時(shí),即是當(dāng)電流超過設(shè)計(jì)定值時(shí),A1翻轉(zhuǎn)而輸出高電平,V5導(dǎo)通,從而將C點(diǎn)的電位箝在低電位狀態(tài),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(hào)始終都是低電平,從而關(guān)斷功率管。從而達(dá)到過流保護(hù)。直到將電路的故障排除后,重新啟動(dòng)電路。
 
仿真與實(shí)驗(yàn)
  
本設(shè)計(jì)電路在orCAD軟件的仿真圖形如下:
  
向驅(qū)動(dòng)電路輸入,高電平為+15v,低電平為-5v的方波信號(hào)。IGBT的輸出波形如圖3所示:

IGBT輸出信號(hào)
圖3:IGBT輸出信號(hào)  

根據(jù)前面的原理和分析,該電路的實(shí)際電路輸出波形如圖4所示:

實(shí)際電路輸出波形
圖4:實(shí)際電路輸出波形 

(1)該驅(qū)動(dòng)電路能夠?yàn)镮GBT提供+15v和-5V驅(qū)動(dòng)電壓確保IGBT的開通和關(guān)斷。
(2)本電路的可根據(jù)負(fù)載的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)最大電流,可以有很廣的使用范圍。
(3)具有過流保護(hù)功能,當(dāng)過流時(shí),保護(hù)電路起作用,及時(shí)的關(guān)斷IGBT,防止IGBT損壞。
(4)本設(shè)計(jì)采用分立元件組成驅(qū)動(dòng)電路,降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

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