1 引言

IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT綜合了MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快以及GTR飽和壓降低，載流密度大的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，從而成為當(dāng)今電力電子行業(yè)的首選器件。

電力電子器件的發(fā)展水平在很大程度上決定了電力電子產(chǎn)品的發(fā)展水平，而目前電力電子器件受電壓、電流水平的限制成為電力電子及電氣傳動(dòng)行業(yè)發(fā)展的瓶頸，而IGBT則是其中一例。在現(xiàn)有的IGBT技術(shù)水平上如何能夠使其發(fā)揮最大功能，這是主要而又關(guān)鍵的問題，除了合理的軟件控制方法外，無疑IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是又一重要環(huán)節(jié)。目前，IGBT的控制保護(hù)電路很多，但在集成度，可靠性等方面還不夠完善，本文就此在介紹IGBT基本性能的基礎(chǔ)上介紹一種基于深圳青銅劍公司的2QD15A17K-C驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。

2 IGBT特性及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本文以Fuji公司型號(hào)為2MBI450U4N-170-50的IGBT為例進(jìn)行說明。通過查找其技術(shù)手冊(cè)可得：在其節(jié)溫為25℃，器件集電極與發(fā)射級(jí)間壓降為VCE=900V，門極驅(qū)動(dòng)電壓VGE=±15V，IC=450A，限流電阻RG=1.1Ω時(shí)，典型值Tdon=620ns，Tdoff=550ns。但在門極電阻RG不同時(shí)，其開關(guān)速度也是不同的，當(dāng)RG小時(shí)，其與門極電容的時(shí)間常數(shù)短，使IGBT深度飽和導(dǎo)通的時(shí)間短，反之則長(zhǎng)。而IGBT得開關(guān)速度直接影響系統(tǒng)效率，但是考慮到di/dt與du/dt對(duì)IGBT本身的副作用，又不能使限流電阻過小。一般限流電阻的選擇可參照以下公式：

注：式中VCN、ICN分別為IGBT額定電壓、額定電流。

圖1為2MBI450U4N-170-50管壓降與電流關(guān)系曲線，由圖可見當(dāng)加在門極驅(qū)動(dòng)電壓小于12V時(shí)，開通曲線電流上升到一定值時(shí)，其管壓降急劇上升，雖然在12V時(shí)可以使IGBT開通，但期間開通損耗比較大。在8V、9V、10V時(shí)，電流達(dá)到一定值，管壓降呈直線上升，期間通電流能力已經(jīng)達(dá)到極限。由此綜合考慮門極驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)大于12V，在工程實(shí)際當(dāng)中一般選擇15V，考慮有較快的關(guān)斷速度，提高抗干擾能力等方面，應(yīng)加-10~-15V的反偏電壓。驅(qū)動(dòng)電路除考慮以上問題外，還需考慮驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，驅(qū)動(dòng)電源的隔離，控制部分與主回路部分的隔離。以及各開關(guān)信號(hào)之間有無互鎖和死區(qū)控制等。

圖1    2MBI450U4N-170-50管壓降與電流關(guān)系曲線

3 IGBT保護(hù)電路

IGBT損壞的原因一般有過流、過壓、過熱3個(gè)方面。過壓又分集電極發(fā)射極過壓，門極發(fā)射極過壓。在過流保護(hù)方面．很多生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料表明：IGBT短時(shí)間最大可承受兩倍的額定電流．但是經(jīng)常承受過電流會(huì)使器件過早老化。從圖3可以發(fā)現(xiàn)。如門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值為15V，當(dāng)IGBT通過450A的額定電流時(shí)，管壓降大約為2.65V。根據(jù)這一特性，可以設(shè)計(jì)出IGBT過流保護(hù)電路。

圖2  2QD15A17K-C典型保護(hù)電路

如圖2所示為2QD15A17K-C典型的保護(hù)電路，按照該電路的結(jié)構(gòu)，對(duì)參數(shù)的配置予以計(jì)算。由圖可見，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，VT1導(dǎo)通比較器同相端為0，此時(shí)150μA電流經(jīng)過Rth在比較器反相端形成一個(gè)基準(zhǔn)電位，此時(shí)比較器輸出為低電平。當(dāng)IGBT開通時(shí)，監(jiān)測(cè)管關(guān)斷，此時(shí)基準(zhǔn)電位依然存在，1.4mA電流經(jīng)過電容C延時(shí)后經(jīng)過電阻Rm、VDM1、VDM2、IGBT后進(jìn)入?yún)⒖嫉?。因而在比較器的同相端形成一個(gè)電位，其幅值由電阻Rm壓降VRm，二極管VDM1、VDM2壓降VD以及IGBT壓降UCE共同決定，而VRm、VD為確定值，所以在比較器同相端的電位就決定于VCE。

由圖1可知在某一確定型號(hào)的IGBT，通態(tài)條件下其兩端電壓與通過的電流有一定的曲線關(guān)系。流過IGBT的電流增大，IGBT兩端電壓VCE也隨之增大，當(dāng)VCE增大到使比較器同相端電位高于反相端電位時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，從而封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖。電路參數(shù)可按如下計(jì)算：

由于IGBT可以短時(shí)承受兩倍額定電流，所以在實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)選取。在IGBT導(dǎo)通的瞬間，IGBT兩端電壓VCE不會(huì)立刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而是由一個(gè)短時(shí)的過渡過程，在這個(gè)階段IGBT保護(hù)電路會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)加電容C延時(shí)后，IGBT保護(hù)電路就能夠避開這一過渡過程，實(shí)現(xiàn)正確的保護(hù)功能。而且此電容還能夠在一定程度上濾掉VCE上的外界干擾信號(hào)，減少了保護(hù)誤動(dòng)的發(fā)生率。C的參數(shù)計(jì)算如下：

4 2QD15A17K-C簡(jiǎn)介及應(yīng)用

圖3   2QD15A17K-C外觀、尺寸圖

4.1 2QD15A17K-C驅(qū)動(dòng)模塊介紹

2QD15A17K-C驅(qū)動(dòng)模塊深圳青銅劍電力電子科技有限公司為1700V及以下電壓IGBT模塊的可靠工作和安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊，它以專用芯片組為基礎(chǔ)、外加必需的其它元件組成。該模塊采用脈沖變壓器隔離方式，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT模塊，可提供±15V的驅(qū)動(dòng)電壓和±15A的峰值電流，具有準(zhǔn)確可靠的驅(qū)動(dòng)功能與靈活可調(diào)的過流保護(hù)功能，同時(shí)可對(duì)電源電壓進(jìn)行欠壓檢測(cè)，工作頻率可達(dá)100kHz，電氣隔離可達(dá)到4500VAC。

圖4  2QD15A17K-C功能框圖

圖3為2QD15A17K-C外觀圖和尺寸圖，圖4為2QD15A17K-C功能框圖，它主要由DC/DC轉(zhuǎn)換電路、輸入處理電路、驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路組成。DC/DC轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸人部分與工作部分進(jìn)行隔離。輸入處理電路包括脈沖信號(hào)處理模塊、故障檢測(cè)模塊和半橋邏輯模塊組成。由于控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)不能直接通過脈沖變壓器，尤其是當(dāng)脈沖信號(hào)的頻率和占空比變化較大時(shí)，尤為困難。脈沖信號(hào)處理模塊就是專門為此而設(shè)計(jì)的，此模塊的功能主要是對(duì)輸人的PWM信號(hào)進(jìn)行編碼，以使之可通過脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。由于該模塊內(nèi)部帶有施密特觸發(fā)器，因此對(duì)輸人端信號(hào)無特殊的邊沿陡度要求，并能提供準(zhǔn)靜態(tài)的狀態(tài)信號(hào)反饋。將其設(shè)計(jì)為集電極開路方式，可以適應(yīng)任何電平邏輯，并可直接產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。以上優(yōu)點(diǎn)使得接口既易用又靈活，從而省去了其它專用電路所必需的許多外圍器件。驅(qū)動(dòng)輸出及邏輯保護(hù)電路包括脈沖信號(hào)處理模塊、脈沖存儲(chǔ)模塊、欠壓保護(hù)模塊。這三個(gè)模塊包括變壓器接口、過流短路保護(hù)、阻斷邏輯生成、反饋狀態(tài)記錄、供電監(jiān)視和輸出階段識(shí)別等功能。每三個(gè)模塊用于一個(gè)通道，其具體功能是對(duì)脈沖變壓器傳來的PWM信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)IGBT的短路、過流及電源的欠壓檢測(cè)保護(hù)，并向輸入端反饋狀態(tài)，以產(chǎn)生短路保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間和阻斷時(shí)間等。

4.2 實(shí)際應(yīng)用電路

圖5  2QD15A17K-C的引腳配置與實(shí)例應(yīng)用

如圖5所示，該驅(qū)動(dòng)器有兩種工作方式：直接和半橋方式。在直接方式下，MOD輸入端接VDD，RCl和RC2接地，PWM信號(hào)接INA和INB，SOl和SO2引出兩個(gè)狀態(tài)反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道之間相互獨(dú)立；在半橋方式下，MOD輸入端接地，INA輸入PWM信號(hào)，INB輸入使能信號(hào)(高電平有效，低電平則將所有通道封鎖)，死區(qū)時(shí)間由RCl和RC2的外接電路來確定。

4.3 實(shí)驗(yàn)波形

圖6  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

圖6是測(cè)試用的試驗(yàn)平臺(tái)的原理圖，試驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)升壓電路，配合雙脈沖，可以比較方面的觀察IGBT在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的波形。

圖7的波形是一個(gè)完整的雙脈沖周期，其中黃色是IGBT門極波形，綠色是IGBTVCE電壓，紫色是電流。

圖8(a)是IGBT關(guān)斷的波形，可以看出隨著門極電壓從+15V下降到-15V，IGBT的VCE電壓開始上升，從VCE，sat上升到1000V（中間的電壓尖峰為1500V，這主要與主電路中的雜散電感和電流下降速率有關(guān)），IGBT電流從90A下降到0。

圖8(b)是IGBT開通波形，可以看出隨著門極電壓從-15V上升到+15V，IGBT的VCE電壓開始下降，從1000V下降到VCE，sat，IGBT電流從0上升到45A。

圖7  雙脈沖測(cè)試

圖8  （a）第一脈沖IGBT關(guān)斷波形

圖8  （b）第二脈沖IGBT開通波形

5 總結(jié)

對(duì)于正確使用IGBT，除了添加必要的吸收電路外，設(shè)計(jì)好一套良好的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是尤為關(guān)鍵的。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路之前，必須仔細(xì)研究開關(guān)器件的關(guān)鍵外部特性，這對(duì)于正確設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是至關(guān)重要的。

本文就是在分析器件的IGBT過渡過程等特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一套驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，借助于2QD15A17K-C模塊的高集成性、高可靠性，從而使整體電路達(dá)到一個(gè)高的使用性能。

2QD15A17K-C模塊具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力，而且包含有完善的短路過流保護(hù)和電源監(jiān)控功能，外圍電路簡(jiǎn)單可靠，使用方便靈活，應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，是一款性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其特點(diǎn)，通過合理設(shè)置外圍參數(shù)，來安全可靠地驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)管IGBT工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 張黎,尹向陽.高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的技術(shù)特點(diǎn)[J].電源世界,2008,（3）：70-73.

[2] 2QD15A17K-C驅(qū)動(dòng)模塊說明書，深圳青銅劍電力電子科技有限公司