最新IGBT的驱动电路设计.doc
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1、精品资料IGBT的驱动电路设计. 目录一. 方案论证 .1-3二. IGBT驱动电路的原理4-5三. 基于EXB 841驱动电路设计.6-7四. 元件清单8五. 结论9六. 参考书目9一.方案论证绝缘栅双极型晶体管IGBT(InsulatedG ateB ipolarTransistor)是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件,它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性,又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点,近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用。但是,IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dine / d t等参数,决定了IG
2、BT的静态与动态特性。因此,在使用IGBT时,最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。 典型的IGBT栅极驱动电路一个理想的IGBT 驱动器应具有以下基本性能:(1) 动态驱动能力强,能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当IGBT 在硬开关方式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长,开关损耗越大。器件工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过IGBT 通态损耗,造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IGBT 的开关频率和输出能力,同时对IGBT 的安全工作构成很大威胁。IGBT 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT 的栅源特性呈非线性电容性质,因
3、此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使IGBT 栅源电压建立或消失得足够快,从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面,驱动器内阻也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。(2)能向IGBT提供适当的正向栅压。IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下, u GS越高, uDS就越低,器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的工作能力。但是, u GS并非越高越好,一般不允许超过20V ,原因是一旦发生过流或短路,栅压越高,则电流幅值越高, IGB
4、T 损坏的可能性就越大。通常,综合考虑取+ 15V 为宜。(3) 能向IGBT 提供足够的反向栅压。在IGBT 关断期间,由于电路中其它部分的工作,会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的IGBT 处于微通状态,增加管子的功耗,重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此,最好给应处于截止状态的IGBT 加一反向栅压(幅值一般为515V) ,使IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。(4) 有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中, IGBT 与工频电网有直接电联系,而控制电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器) 中的IGBT 的工作电位差别很大,也不允许控制电路与
5、其直接耦合。因此,驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作,同时有利于维修调试人员的人身安全。但是,这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。(5) 具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极限电压一般为20V ,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6) 输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后,另一方面能提高保护的快速性。(7) 电路简单,成本低。(8)IGBT 损坏时,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。IGBT 烧毁时,集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路,从而破坏其中的某些元件。由于IGBT 承受过流或短路的能力有限,故IGBT 驱动器还应具有如下功能
6、: (9) 当IGBT 处于负载短路或过流状态时,能在IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流,实现IGBT 的软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过高的d i/ d t 。在杂散电感的作用下,过高的d i/ d t 会产生过高的电压尖峰,使IGBT 承受不住而损坏。同理,驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响,即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时,无论此时有无输入信号,都应无条件地实现软关断。在各种设备中,二极管的反向恢复、电磁性负载的分布电容及关断吸收电路等都会在IGBT 开通时造成尖峰电流。驱动器应具备抑制这一瞬时过流的能力,在尖峰电流过后,应能恢复正
7、常栅压,保证电路的正常工作。(10) 在出现短路、过流的情况下,能迅速发出过流保护信号,供控制电路进行处理。 本次设计采用了EXB系列集成模块。EXB系列芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性,是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善,在国内得到了广泛应用。二IGBT驱动电路的原理工作原理如图1所示(图中VIG即为IGBT管,下图同;VIs为光祸ISO1)o 图一 工作原理2.1 正常开通过程当EXB841输人端脚14和脚15有10m A的电流流过时,光祸ISO1导通,A点电位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20 V,V4导通,V5截止,EXB 8
8、41通过V4及栅极电阻Rg向IGBT提供电流使之迅速导通。其端电压下降至导通电压Uces=3V,与此同时,由于截止使电源通过R3向电容C1充电,其时间常数=2.21.1s=2.42s。由于C2充电A点电位上开,因为Dz1的反向击穿电压为13VA到达这一电压所需时间为 t1=ln Uc(Uc-Uz1)=2.42sln20(20-13)=2.54s2.2 正常关断过程控制电路使EXB841输人端脚14和脚15无电流流过,光藕ISO1不通,A点电位上升使V1和V2导通;V2导通使V4截止、V5导通,IGBT栅极电荷通过V5迅速放电,使EXB841的脚3电位迅速下降至OV(相对于EXB841脚1低5
9、V),使IGBT可靠关断。2.3 保护动作设IGBT已正常导通,则V1和V2截止,V4导通,V5截止,B点和C点电位稳定在8V左右,Vzi不被击穿,V3截止,E点电位保持为20 V,二极管Vd6截止。若此时发生短路,IGBT承受大电流而退饱和,Uce上升很多,二极管Vd7截止,则EXB841的脚6悬空”,B点和C点电位开始由8V上升;当上升至13V时,VZ,被击穿,V3导通,C4通过R,和V3放电,E点电位逐步下降,二极管VU6导通时D点电位也逐步下降,使EXB841的脚3电位也逐步下降,缓慢关断IGBT,B点 和 C点电位由8V上升到13V的时间可用下式求得:式中t=1.3s;1为R3和C2
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