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        一種基于數(shù)字可編程芯片的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路

        2017-04-15 21:52:54孫浩楊媛李春雷

        孫浩++楊媛++李春雷

        摘要:本文首先介紹了門極電阻對(duì)IGBT開關(guān)狀態(tài)的影響。并提出了一種基于數(shù)字可編程芯片的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路,該驅(qū)動(dòng)電路可自主的判斷出IGBT所處的開關(guān)過程中的各個(gè)階段,根據(jù)對(duì)應(yīng)的不同開關(guān)階段,動(dòng)態(tài)的選擇對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電阻,實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開關(guān)過程的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該驅(qū)動(dòng)電路可以優(yōu)化IGBT的開關(guān)特性,達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

        關(guān)鍵詞:IGBT 數(shù)字可編程 驅(qū)動(dòng)電路

        中圖分類號(hào):TM383.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2016)12-0099-01

        IGBT是由功率MOSFET和BJT復(fù)合而成的一種半導(dǎo)體功率器件,它集二者的優(yōu)點(diǎn)于一身,在軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源等產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。IGBT作為功率開關(guān)器件,開關(guān)損耗過高容易使器件結(jié)溫升高,而造成器件的損傷[1-2]。另一方面,開關(guān)過程中過高的反向恢復(fù)電流尖峰會(huì)造成反并聯(lián)二極管的損壞,過高的關(guān)斷過壓尖峰容易造成IGBT的擊穿損壞。

        1 電阻對(duì)IGBT開關(guān)狀態(tài)的影響

        IGBT在驅(qū)動(dòng)時(shí),其開通和關(guān)斷是通過柵極電阻給柵極電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。柵極-發(fā)射極間回路中的電感和電容都屬于無功元件,若無柵極驅(qū)動(dòng)電阻,則驅(qū)動(dòng)過程中的大部分功率都會(huì)直接消耗在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的輸出管上,這會(huì)造成輸出管結(jié)溫大幅度上升,影響IGBT的正常工作,嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀IGBT。

        在柵極驅(qū)動(dòng)電壓不變的情況下,驅(qū)動(dòng)電阻的大小直接影響著IGBT開關(guān)過程中的開通關(guān)斷時(shí)間、開通關(guān)斷損耗、驅(qū)動(dòng)器EMI、集電極電壓變化速率dVCE/dt、集電極電流變化速率dIC/dt和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流等[3]。若是采用阻值較小的柵極驅(qū)動(dòng)電阻,會(huì)加快IGBT的開通和關(guān)斷速率,減小開關(guān)損耗。但是,這樣會(huì)增大門極電阻上的損耗,增大關(guān)斷時(shí)的電流變化率dIC/dt,從而在雜散電感上感應(yīng)出較高的關(guān)斷電壓尖峰,可能造成擎住效應(yīng)的發(fā)生,一旦電壓尖峰超過了IGBT的額定電壓,會(huì)影響IGBT的安全工作;同時(shí)采用阻值小的電阻會(huì)導(dǎo)致門極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的寄生電感和門極一發(fā)射極電容CGE產(chǎn)生振蕩[5]。

        2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

        數(shù)字可編程IGBT驅(qū)動(dòng)電路可以在IGBT的開關(guān)過程中,通過VCE檢測(cè)電路和VGe檢測(cè)電路對(duì)IGBT開關(guān)過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),將檢測(cè)信號(hào)送入數(shù)字芯片處理,數(shù)字可編程芯片通過反饋的VCE和VGe電壓信號(hào)判斷出IGBT的開關(guān)進(jìn)度,選擇對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)電阻來優(yōu)化IGBT的開關(guān)過程。其具體的控制策略如下所示:

        動(dòng)態(tài)開通過程:外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平,在IGBT的柵極和發(fā)射極之間施加+15V的開通電壓,①從施加開通電壓到IGBT柵極電壓VGe上升至IGBT的開通閾值Vth前,IGBT處于正向阻斷區(qū)(截止區(qū)),集電極電流IC幾乎為0,該階段使用一個(gè)阻值較小的驅(qū)動(dòng)電阻,以減小IGBT的開通延時(shí)。②柵極電壓VGe上升至IGBT的開通閾值Vth時(shí),IC從零開始增大,此過程中的電流變化速率與柵極驅(qū)動(dòng)電阻的大小有關(guān),而二極管反向恢復(fù)電流大小與回路中電流變化率dIC/dt緊密相關(guān),因此此過程選用阻值較大的柵極電阻可降低dI/dt,從而可減小電流尖峰;③集電極電壓VCE開始下降,柵極電壓VGe升至其米勒平臺(tái)值Vth,此過程中可采用較小的電阻來加快集電極電壓的下降速率,從而縮短開通時(shí)間;④當(dāng)VCE的值接近門極電壓VGe時(shí),米勒電容迅速增大使得集電極電壓的下降速率dVCE/dt快速降低,此過程可采用更小的電阻來使IGBT快速地完全進(jìn)入飽和區(qū),減小開通時(shí)間,減小開通損耗。

        動(dòng)態(tài)關(guān)斷過程:外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平,在IGBT的柵極和發(fā)射極之間施加-15V的關(guān)斷電壓,①施加關(guān)斷電壓后,IGBT的柵極電容開始被放電,柵極電壓下降至米勒平臺(tái),此過程中可使用一個(gè)阻值較小的驅(qū)動(dòng)電阻,加快IGBT的關(guān)斷速率。②IGBT的柵極電壓被箝位在米勒平臺(tái),VCE開始上升,此時(shí)可采用較大的電阻來降低集電極電壓的上升速率dVCE/dt,從而減小關(guān)斷過壓尖峰。③集電極電壓已達(dá)到IGBT的母線電壓值,集電極電流IC開始下降,此時(shí)電流的下降會(huì)在功率回路的寄生電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓,感應(yīng)電壓疊加在母線電壓上會(huì)使IGBT功率極所加的電壓變大,過快的電流下降速率會(huì)造成IGBT的過壓擊穿。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        實(shí)驗(yàn)采用三菱公司4500V/900A型IGBT模塊進(jìn)行驗(yàn)證,母線電壓為2800V,負(fù)載為310μH。分別通過單一阻值的驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字可編程IGBT驅(qū)動(dòng)器對(duì)該IGBT進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。

        單一阻值的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí),其開通時(shí)間ton=6μs,關(guān)斷時(shí)間toff=3μs,電流尖峰IRRM=1600A,電壓尖峰VCEM=3660V。數(shù)字可編程IGBT驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)時(shí),其開通時(shí)間ton=3μs,關(guān)斷時(shí)間toff=2.5μs,電流尖峰IRRM=1600A,電壓尖峰VCEM=3260V。分析對(duì)比可得該驅(qū)動(dòng)能優(yōu)化IGBT開關(guān)過程,驗(yàn)證了方案的可行性。

        4 結(jié)語

        本文提出了一種基于可編程數(shù)字芯片的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案,該方案結(jié)合IGBT的開關(guān)過程中驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)其開關(guān)特性的影響,動(dòng)態(tài)的調(diào)整其門極驅(qū)動(dòng)電阻,優(yōu)化IGBT的開關(guān)特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,在保證dIC/dt和dVCE/dt出于安全范圍的情況下,縮短了IGBT的開關(guān)時(shí)間,減少其開關(guān)損耗。

        參考文獻(xiàn)

        [1]劉海紅,楊媛,劉海鋒.大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)方法研究進(jìn)展綜述[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,v.23;No.30907:104-106+110.

        [2]袁立強(qiáng),趙爭(zhēng)鳴,宋高升,等.電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

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