IGBT驱动模块的研究.pdf

《IGBT驱动模块的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IGBT驱动模块的研究.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第24卷第3期上海电力学院学报Vol.24,No.32008年9月JournalofShanghaiUniversityofElectricPowerSep.2008文章编号:1006-4729(2008)03-0295-04IGBT驱动模块的研究 收稿日期:2008-06-23作者简介:王学奎(19822),男,研究生在读,山东菏泽人.主要研究方向为电站自动化.E2mail:.基金项目:上海市重点学科建设项目(P1301);上海市教委重点学科建设项目(J51301);上海市科研计划项目(061612041);上海市教委科研项目(06LZ016);上海电力学院人才引进基金(K2007206).

2、王学奎,杨旭红,叶建华,钱 虹(上海电力学院 电力与自动化工程学院,上海 200090)摘 要:介绍了IGBT的驱动特性,对IGBT专用集成驱动芯片EXB841和M57962AL作了比较研究.根据EXB841在应用中存在的问题,提出了一种优化设计电路.并介绍了IGBT与M57962AL两种驱动模块的优缺点.关键词:保护阈值;软关断;动作阈值;双电源中图分类号:T M564.8;TP31文献标识码:AThe Research of IGBTsDriveModuleWANG Xue2kui,YANG Xu2hong,YE Jian2hua,Q I AN Hong(School of Electri

3、c Po wer&Auto mation Engineering,ShanghaiUniversity of Electric Po wer,Shanghai200090,China)Abstract:The drive characteristicsof IGBT are introduced;research is conducted on EXB841 andM57962AL,t wo CMOS chips that are used to drive IGBT.Because of the deficiencies of EXB841sapplication.The paper pro

4、poses an optimized circuit,introducing M57962AL,and comparing theadvantages and disadvantages of the two drive modules simply.Key words:threshold of protection;soft shutdown;threshold of action;double powerIGBT作为一种复合性的功率半导体,由于具有低功耗、高开关频率的特性在功率变换器中得到越来越广泛的应用.IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件,综合了GTR和MOSFET的优点,因而

5、具有良好的特性,目前已取代了GTR和MOSFET的一部分电力市场,成为中小功率电力电子设备的主导器件.1IGBT的驱动特性IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关.设计栅极驱动电路时,应特别注意开通特性、负载短路能力和由dUds/dt引起的误触发等问题.正偏置电压Uge增加,通态电压下降,开通能耗Eon也下降,若+Uge固定不变时,导通电压将随漏极电流增大而增高,开通损耗将随结温升高而升高.IGBT的驱动电路有多种形式,为了提高可靠性,采用专用的驱动模块,EXB841及M57962AL是应用较多的IGBT驱动器.2 专用驱动器EXB8412.1EXB841的电路EXB841的电路图如图1所示

6、.EXB841由放大部分、过流保护部分和5 V电压基准部分组成.放大部分由光耦合器IS01(TLP550),V2,V4,V5,R1,C1,R2,R9组成,其中IS01起隔离作用,V2是中间级,V4和V5组成推挽输出.过流保护部分由V1,V3,VD6,VZ6,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.EXB84l的脚6通过快速二极管VD7接至IGBT的集电极,通过检测电压Uce的高低来判断是否发生短路.5 V电压基准部分由R10,VZ2,C5组成,既为驱动IGBT提供-5 V反偏压,同时也为输入光耦合器IS01提供副电源.图1EXB841的电路(1)

7、正常开通过程(3和1端子间输出脉冲幅值为+15 V)当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15有10 mA的电流流过时,光耦合器IS0l就会导通,A点电位迅速下降至0 V,使V1和V2截止.V2截止使D点电位上升至20 V,V4导通,V5截止,EXB841通过V4及栅极电阻Rg向IGBT提供电流使之迅速导通,Uc下降至3 V.与此同时,V1截止使+20 V电源通R3对电容C2充电,时间常数约为2.42s,使B点电位上升,由零升到13 V的时间约为2.54s,然而由于IGBT约1s后已导通,Uce下降至3 V,从而将EXB841脚6电位箝制在8 V左右,因此B点和C点电位不会充到13 V,而是

8、充到8 V左右,这个过程时间为1.24s;稳压管VZ1的稳压值为13 V,因此,IGBT正常开通时不会被击穿.V3不通,E点电位仍为20 V左右,二极管VD6截止,不影响V4和V5的正常工作.(2)正常关断过程(3和1端子间输出电压为-5 V)控制电路使EXB841输入端脚14和15无电流流过,光耦合器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EXB841的脚3电位迅速下降至0 V(相对EXB841脚1低5V),使IGBT可靠关断;Uce迅速上升,使EXB841的脚6“悬空”.与此同时,V1导通,C1通过V1更快放电,将B点

9、和C点电位箝制在0 V,使VZ1仍不通,后边电路不会动作,IGBT正常关断.(3)保护动作 当IGBT导通时因承受过电流而退饱和时,Uce迅速上升,使二极管VD7截止.脚6悬空,B,C点由8 V上升到13 V,击穿VZ1.C3充电至V3开启阀值后V3导通,整个过程大概需要3.5s.3.5s后,如果过流仍然存在,这时C4通过R7和V3放电.C4不会放电到0 V,约有3.6 V的最低值.E点由13 V下降到3.6 V的时间约为8.3s,此时慢关断结束.IGBT栅极所受的电压为0 V,这种状态一直持续到控制信号使光耦截止.IGBT的栅极由0 V迅速降到-5 V,IGBT完全关断.2.2EXB841的

10、优化设计IGBT驱动模块EXB841已广泛应用于开关电源,UPS,逆变焊机,斩波调速器等诸多领域.主要有以下优点:模块化,使用安装方便;有过流检测和保护输出的功能.但仍有许多地方有待改进.(1)过流保护阈值太高 过流保护的阈值设692上 海 电 力 学 院 学 报 2008年置不合理.EXB841判定过流的主要依据是脚电压.脚6电压不仅和Uce有关,还和VD7的导通电压有关.由于VD7在0.50.6 V时即可开通,可知过流时Uce约为7.5 V.而IGBT在通过额定电流时导通压降通常约为3.5 V,当Uce=7.5 V时,IGBT已严重过流.(2)内部稳压管VZ2容易损坏 当IGBT由关断到开

11、通的瞬间,IGBT栅射极等效电容CGE有-5 V的初始值.在输出正向栅极电压瞬间,+20V驱动电源经V4,RG,CGE,VZ2回路对CGE充电.经计算,R=20时,该正向峰值电流约为1 A,根据稳压管和电容的伏安特性,该电流几乎全部流过VZ2.因此VZ2最大瞬时功耗将近5W,远大于其额定功耗,容易导致其损坏.(3)软关断不可靠 我们已经分析了从发生过流到开始保护约有3.5s的延迟时间,如果特定情况下脉宽小于这一时间,驱动电路将无法进行过流保护,而软关断时间过长,大约需要8.3s,驱动信号缓降到0 V.保护盲区和过长的软关断时间使得软关断不可靠.(4)过流保护无自锁功能 在过流保护时,只具有当前

12、脉冲软关断功能,而不是完全关闭.如果存在过流,只能把正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲,而连续工作可能导致器件损坏.这就需要在过流检测时,当防误触发和保证软关断后,必须能自动锁定过流信号,同时终止其输出.本文针对以上不足,采用了EXB841的优化设计电路.见图2.图2EXB841的优化设计电路(1)采用外接的5 V/2W稳压管代替VZ4提供反向栅压,以解决VZ2易损坏的问题.(2)在EXB841的脚6处,将1个反向稳压管与VD7反向串联,这样,不仅可以降低保护阀值,而且减小了保护盲区的时间.(3)在脚5和脚4间接1个电位器与7并联,以调节软关断时间.(4)自锁电路通过555定时 器实现.当EXB

13、841正常工作时,其脚5输出高电平,此时光耦6N136截止,V1导通,555定时器的脚2输入为低电平.脚3输出高电平,不影响EXB841的正常工作.当EXB841出现过流时,其脚5变为低电平,于是光耦导通,V1截止,+5 V电压通过R4,R5对C3充电;经过10 s的延迟,555定时器的脚2变为高电平,脚3输出低电平,经过反向器输出S为高电平,并由前级控制电路封锁PWM信号.直到故障解除后,通过复位开关S1复位,EXB841恢复正常驱动.如此可避免EXB841的原有缺点,其性能得到了进一步的改善.3M57962AL电路组成及其特点3.1 电路组成M57962AL是日本三菱公司生产的专用驱动模块

14、,其内部结构方框图见图3.图3M57962AL内部结构3.2 驱动保护电路工作原理M57962AL外围应用电路如图4所示.图4 驱动外围应用电路当检测到输入1端的电压为7 V时,模块判792 王学奎,等:IGBT驱动模块的研究定为电路短路,立即通过光耦输出关断信号关断,从而使其5端输出低电平将IGBT的GE两端置于负向偏置,可靠关断.同时,输出误差信号使故障输出端8端为低电平,从而驱动外接的保护电路工作.延时23 s后,若检测到13端为高电平,则M57962AL恢复工作.稳压管Z1用于防止D1击穿而损坏M57962AL,RG为限流电阻,DZ2和DZ3起限幅作用,以确保IGBT可靠开通与关断,而

15、不被误导通或击穿.4EXB841与M57962AL应用性能的比较 由EXB841和M57962AL相同功能的引脚符号对照可看出,M57962AL软关断时间可外部调节,而EXB841的软关断时间则无法调节.表1给出了M57962AL和EXB841应用性能中主要电性能的比较,由表1可知,M57962AL的性能要比EXB841好一些.表1M57962AL和EXB841应用性能的比较比较项可工作电源电压正电源负电源V频率特性开通上升时间最大值下降时间最大值关断时间最大值上升时间典型值下降时间典型值s温度特性工作温度范围存储温度范围驱动能力脉冲宽度 2s脉冲频率20 kHz正向驱动能力反向驱动能力A可驱

16、动IGBT的最大容量/A600VIGBT1 200 VIGBTM57962AL+15+18-6-152112.30.50.4-20+70-12+100+5-5600400EXB841+15+20-51.51.5-10+85-25+125+4-4400300从两者的原理图中也可看出,EXB841将稳压管封装在内部,常因稳压管的损坏而使其失效,M57962AL提供相对负偏压的稳压管,并置于封装外部,用户可按需要选择该稳压管的功率和稳压值,既具灵活性,又提高了使用的可靠性.5 结束语EXB841和M57962AL是国内目前应用较多的IGBT驱动器.安全使用EXB841常需要借助一些辅助电路,相比之下

17、M57962AL在性能上要优于EXB841.因此,在可预期的将来,EXB841将会淡出市场,而M57962AL将占据越来越多的市场份额.参考文献:1 王水平.开关稳压电源原理、设计与实用电路M.西安:西安电子科技大学出版社,1999:67273.2 王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2003:50261.3 周志敏,周纪海,纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路M.北京:人民邮电出版社,2006:15222.4 张惠,冯英.电源大全M.西安:西安交通大学出版社,1993:1052110.5 王生德.MOSFET高频感应加热电源的研究J.郑州大学学报,2001,33(3):112

18、12.6 史平君.实用电源技术手册:电源元器件分册R.沈阳:辽宁科学技术出版社,1999:33235.7 M ICHAEL J,Jacob.Power electronics:converters,applications,and designM.Beijing:Higher Education Press,2004:41248.8 DOOLLA S.A GU I based simulation of power electronic con2verters andreactive power compensators using MATLAB/SI MUL I NK J.International Conference on Power SystemTechnology,2004,2(21224):1 71021 715.9 CHENWei,HUA Guihao,SABLE Dan,et al.Design of highefficiency,low profile,low voltage con2verter with integratedmagneticsC/IEEE Proe.APEC,1997:1012110.892上 海 电 力 学 院 学 报 2008年