基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计(16页).docx
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1、-基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计-第 12 页辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计(论文)题目: 基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计 院(系): 电气工程学院 专业班级: 自动化124班 学 号: 120302098 学生姓名: 李晓晨 指导教师: (签字)起止时间:2014.12.29-2015.01.09课程设计(论文)任务及评语院(系):电气工程学院 教研室:自动化 学 号120302098学生姓名 李晓晨专业班级 自动化124课程设计(论文)题目基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计课程设计(论文)任务课题完成的功能:本课程设计利用集成驱动电路实现绝缘栅双极晶体管IG
2、BT的驱动电路设计。设计任务及要求:(1)根据给出的绝缘栅双极晶体管IGBT的额定数据,利用集成驱动电路(如EXB841、M57962L等)实现IGBT的外围驱动电路设计。(2)要求为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压。(3)驱动电路要具有隔离输入、输出信号的功能。(4)要求控制好的前后沿陡度,控制好IGBT的开关损耗。(5)具有过电压保护和du/dt保护能力。(6)具有完善的短路保护能力。(7)撰写课程设计说明书(论文)。技术参数:绝缘栅双极晶体管IGBT的额定电压1200V,额定电流400A,最大开关频率20kHz,驱动电压+15V,关断电压-5V。进度计划(1)布置任务,查阅资料,确定
3、系统的组成(2天)(2)对系统各组成部件进行功能分析(3天)(3)系统电气电路设计及调试设计(3天)(4)撰写、打印设计说明书及答辩(2天)指导教师评语及成绩平时: 论文质量: 答辩: 总成绩: 指导教师签字: 年 月 日注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要 介绍了绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Cate Bipolar Transistor)器件驱动电路设计的一般要求,对EXB 841芯片的工作过程作了深入的分析,研究了EXB 841对IGBT的开通和关断以及过流保护的原理,指出了用EXB 841直接驱动IGBT时存在的问题和不足,主要是过流保
4、护的阀值太高,关断不可靠及在软关断时没有对外部输入信号进行封锁 。同时,提出了针对这些不足在设计驱动电路时应当采取的几种有效方法。最后,运用EXB 841及其他器件设计和优化了一个IGBT的驱动电路,该驱动电路通试验证明能 够有效地对IGBT器件进行驱动和过电流保护。关键词:绝缘栅双极型晶体管;EXB 841;驱动电路目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案32.1 概述32.2 系统组成总体结构3第3章 IGBT驱动电路设计43.1 IGBT驱动电路设计要求53.2 EXB 841的控制原理53.3 EXB 841存在的不足与改进7第4章 基于EXB 841驱动电路设计、优化94.1 IG
5、BT驱动电路及故障信号封锁电路设计94.2 IGBT驱动电路优化11第5章 课程设计总结13参考文献14第1章 绪论80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。在那个时候,硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计。后来,通过采用PT(穿通)型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进,这是随着硅片上外延的技术进步,以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的。几年当中,这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构,其设计规则从5微米先进到3微米。90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT,它是
6、采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺,但仍然是穿通(PT)型芯片结构。在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变,先是采用非穿通(NPT)结构,继而变化成弱穿通(LPT)结构,这就使安全工作区(SOA)得到同表面栅结构演变类似的改善。 这次从穿通(PT)型技术先进到非穿通(NPT)型技术,是最基本的,也是很重大的概念变化。这就是:穿通(PT)技术会有比较高的载流子注入系数,而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面,非穿通(NPT)技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效
7、率,不过其载流子注入系数却比较低。进而言之,非穿通(NPT)技术又被软穿通(LPT)技术所代替,它类似于某些人所谓的“软穿通”(SPT)或“电场截止”(FS)型技术,这使得“成本性能”的综合效果得到进一步改善。1996年,CSTBT(载流子储存的沟槽栅双极晶体管)使第5代IGBT模块得以实现,它采用了弱穿通(LPT)芯片结构,又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前,包括一种“反向阻断型”(逆阻型)功能或一种“反向导通型”(逆导型)功能的IGBT器件的新概念正在进行研究,以求得进一步优化。经过20多年的发展,IGBT表现出了很强的生命力,其开关性能经历五代改进也日臻完善。同时,IGBT的容量等级
8、也在快速提升,单管电压已6500V,无均流并联电流已3300 A,已成为基本上取代了GTR,并在很多应用领域挑战GTO的电力半导体开关器件。驱动电路的结构和参数会对IGBT的运行性能产生显著影响,如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗du/dt的能力等。因此,根据IGBT的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥IGBT的性能是十分重要的。功率器件的不断发展使其驱动电路也在不断地发展,相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT的触发和关断要求给栅极和发射极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下因素进行:器件关断偏置的要求、栅极电
9、荷的要求、耐固性的要求等。IGBT的驱动电路是IGBT与控制电路之间的接口,它对IGBT的正常运行具有非常重要的影响。采用一套性能良好的驱动电路可缩短开关时间,减小开关损耗,使IGBT工作在较理想的开关状态下,同时对电源的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外,一套性能良好的驱动电路由于本身具有多种保护措施,可以防止运行中的一些意外冲击而损坏IGBT。因此驱动电路的选择和设计显得尤为重要。IGBT作为功率电源的主要电力电子器件,其栅极驱动电路设计的优劣直接关系到由IGBT构成的系统长期运行的可靠性。只有设计合理的IGBT驱动电路,才能保证IGBT的可靠运行。第2章 课程设计的方案2.1
10、概述本次设计主要是综合应用所学知识,运用EXB841及其他器件设计和优化了一个IGBT的驱动电路。能够较全面地巩固和应用“电力电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法,并初步掌握利用IGBT设计的基本方法。 应用场合: 随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模块化发展,绝缘栅双极晶体管(IGBT)已广泛应用于开关电源、变频器、电机控制以及要求快速、低损耗的领域中。IGBT是复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有MOSFET和GTR的优点:输人阻抗高,驱动功率小,通态压降小,工作频率高和动态响应快。目前,市场上5003000V,8001300A的IGBT,因其耐高压、功率大的特性,已成为大功率开关
11、电源等电力电子装置的首选功率器件。2.2 系统组成总体结构 驱动电路 主电路 保护电路 电压信号 图2.1 系统结构图 EXB 841存在过流保护无自锁功能等问题,再结合这些问题设计了驱动电路并对其进行了优化。设计一个保护电路对IGBT进行有效的驱动、控制和过电流保护。使其正常工作,保护电路中的器件不被损坏。第3章 IGBT驱动电路设计绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Cate Bipolar Transistor)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
12、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duce/dt 等参数,决定了IGBT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。IGBT的等效电路如图3.1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极G发射极E间施加十几伏的直流电压,只有
13、在uA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。图 3.1 (a) 为IGBT等效电路图 (b)为IGBT 电气符号IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。使用中当IGBT模块集电极电流增大时,所产生的额定损耗亦变大。同时,开关损耗增大,使原件发热加剧,因此,选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热加剧,选用时应该降温等使用。3.1 IGBT驱动电路设计要求 (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。否则IGBT会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。(2).能向IGBT提供适当的正向和反向栅压。一般
14、取+15V左右的正向栅压比较恰当,取-5V的反向栅压让IGBT能可靠截止。(3).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可能破坏栅极。(4).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。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。当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择合适的栅极电阻Rg和Rge以及要有足够的输入输出电隔离能力,要能够保证输入输出信号无延时,同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。EXB841是300A/1200V快速型IGB
15、T驱动专用模块,整个电路延迟时间不超过1s,最高工作频率达40一50kHz,它只需外部提供一个+20V单电源,内部产生一个一5V反偏压,模块采用高速光耦合隔离,射极输出。有短路保护和慢速关断功能.EXB841主要由放大、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成。其中放大部分由TLP550,V2,V4,V5和R1,C1,R2,R9组成,TLP550待改进。起信号输人和隔离作用,V2是中间级,V4和V5组成推挽输出;短路过流保护部分由V1,V3,V6,VZ1和C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等组成,实现过流检测和延时保护功能。EXB841的6脚通过快速恢复二极管接至IGBT的C极
16、,检测IGBT的集射之间的通态电压降的高低来判断IGBT的过流情况加以保护;5V电压基准部分由R10,VZ2,C5组成,为IGBT驱动提供一5V反偏压。日本FUJI公司的EXB 841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。3.2 EXB 841的控制原理EXB 841工作原理如图3.2所示(图中V1G即为IGBT管,下图同;V1S为光耦IS01)。图3.2 EXB 841的工作原理图(1). 正常开通过程当EXB 841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时,光耦IS01导通,A点电位迅速下降至0V,V1
17、和V2截止;V2截止使D点电位上升至20V,V4导通,V5截止,EXB 841通过V4及栅极电阻Rg向IGBT提供电流使之迅速导通。(2). 正常关断过程控制电路使EXB 841输入端脚14和脚15无电流流过,光耦IS01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EXB 841的脚3电位迅速下降至0V(相对EXB 841脚1低5V),使IGBT可靠关断。(3). 保护动作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,VZ1不被击穿,V3截止,E点电位保持为20V,二极管VD6截止。若此时发生短
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