igbt驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)igbt并對(duì)其整體性能進(jìn)行調(diào)控的裝置,它不僅影響了igbt 的動(dòng)態(tài)性能,同時(shí)也影響系統(tǒng)的成本和可靠性。驅(qū)動(dòng)器的選擇及輸出功率的計(jì)算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)器功率不足或選擇錯(cuò)誤可能會(huì)直接導(dǎo)致 igbt 和驅(qū)動(dòng)器損壞。
一、igbt驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)
目前供igbt使用的驅(qū)動(dòng)電路形式多種多樣 ,各自的功能也不盡相同。從綜合的觀點(diǎn)看 ,還沒有一種十全十美的電路。 從電路隔離方式看,igbt驅(qū)動(dòng)器可分成兩大類,一類采用光電耦合器,另一類采用脈沖變壓器,兩者均可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸及電路的隔離。 下面以日本富士公司的 exb841 驅(qū)動(dòng)器為例 ,簡單說明光電耦合驅(qū)動(dòng)器的工作原理(見圖)。圖中 + 20v驅(qū)動(dòng)電源通過r1 和v5 分為+15v及 + 5v兩部分。當(dāng)來自控制電路的控制脈沖進(jìn)入光電耦合器v1 后 ,放大器使v3 導(dǎo)通 ,gbt柵極即得到一個(gè) +15v 驅(qū)動(dòng)信號(hào)并導(dǎo)通。當(dāng)控制信號(hào)消失后 ,v4 導(dǎo)通 ,此時(shí)igbt即得到一個(gè) - 5v 的柵源電壓并截止。igbt在導(dǎo)通期間過流時(shí) ,會(huì)脫離飽和狀態(tài) ,此時(shí)uds升高。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的保護(hù)電路通過 v6 檢測到這一狀態(tài)后 ,一方面在 10μs 內(nèi)逐步降低柵壓 ,使 igbt進(jìn)入軟關(guān)斷狀態(tài) ,另一方面通過光耦 v2 向控制電路發(fā)出過流信號(hào)。
光電耦合驅(qū)動(dòng)器的最大特點(diǎn)是雙側(cè)都是有源的 ,由它提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制 ,而且可以較容易地通過檢測 igbt通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)各種情況下的過流及短路保護(hù) ,并對(duì)外送出過流信號(hào)。目前國內(nèi)外都趨向于把這種驅(qū)動(dòng)器做成厚膜電路的形式 ,因此具有使用較方便 ,一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)。其不足之處是需要較多的工作電源。例如 ,全橋式開關(guān)電源一般需要四個(gè)工作電源 ,從而增加了電路的復(fù)雜性。驅(qū)動(dòng)器中的光電耦合器盡管速度較高 ,但對(duì)脈沖信號(hào)仍會(huì)有 1μs左右的滯后時(shí)間 ,不適應(yīng)某些要求較高的場合。光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流2500v ,這對(duì)某些場合是不夠的。例如 ,許多逆變焊機(jī)的輸出直接反饋到控制電路 ,而國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)卻規(guī)定焊機(jī)輸入輸出之間應(yīng)能承受交流 電壓 從而給電路的設(shè)計(jì)增加了困4000v ,難。另外 一旦 燒壞 驅(qū)動(dòng)器通常也隨之, igbt ,燒毀 從而增加了維修的復(fù)雜性及費(fèi)用。
二、驅(qū)動(dòng)電路的基本性能
IGBT器件的發(fā)射極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu),直流電不能通過,因而低頻的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)功率接近于零。但是柵極和發(fā)射極之間構(gòu)成了一個(gè)柵極電容CGs,因而在高頻率的交替導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。小功率IGBT的CGs一般在10~l00pF之內(nèi),對(duì)于大功率的絕緣柵功率器件,由于柵極電容CGs較大,在1~l00pF,甚至更大,因而需要較大的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。
IGBT柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生,柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到由IGBT構(gòu)成的系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性。正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和,并使通態(tài)損耗減至最小,同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。
IGBT正柵壓VGE越大,導(dǎo)通電阻越低,損耗越小。但是,如果VGE過大,一旦IGBT過流,會(huì)造成內(nèi)部寄生晶閘管的靜態(tài)擎柱效應(yīng),造成IGBT失效。相反如果VGE過小,可能會(huì)使IGBT的工作點(diǎn)落人線性放大區(qū),最終導(dǎo)致器件的過熱損壞。在任何情況下,開通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓,應(yīng)該在12~20V之間。
當(dāng)柵極電壓為零時(shí),IGBT處于斷態(tài)。由于IGBT的關(guān)斷過程可能會(huì)承受很大的dv/dt,伴隨關(guān)斷浪涌電流,干擾柵極關(guān)斷電壓,可能造成器件的誤開通。為了保證IGBT在集電極-發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷,必須在柵極上施加一個(gè)反向關(guān)斷偏壓,采用反向偏壓還可減少關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在—5~—15V之間。理想的心鄒驅(qū)動(dòng)再路應(yīng)具有以下基本性能:
1)要求驅(qū)動(dòng)電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓VGE。理論上VGE≥VGE(th),IGBT即可導(dǎo)通;當(dāng)VGE太大時(shí),可能引起柵極電壓振蕩,損壞柵極。正向VGE越高,IGBT器件的VGES越低,越有利于降低器件的通態(tài)損耗。但也會(huì)使IGBT承受短路電流的時(shí)間變短,并使續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此正偏壓要適當(dāng),一般不允許VGE超過+20V。關(guān)斷IGBT時(shí),必須為IGBT器件提供—5~—15V的反向VGE,以便盡快抽取IGBT器件內(nèi)部的存儲(chǔ)電荷,縮短關(guān)斷時(shí)間,提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。采用反偏壓可減少關(guān)斷損耗,提高IGBT工作的可靠性。
2)要求驅(qū)動(dòng)電路具有隔離的輸入、輸出信號(hào)功能,同時(shí)要求在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部信號(hào)傳輸無延時(shí)或延時(shí)很小。
3)要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻RG,用以控制VGE的前后沿陡度,進(jìn)而控制IGBT器件的開關(guān)損耗。RG增大,VGE前后沿變緩,IGBT開關(guān)過程延長;開關(guān)損耗增加;RG減小,VGE前后沿變陡,IGBT器件開關(guān)損耗降低,同時(shí)集電極電流變化率增大。較小的柵極電阻使得IGBT的導(dǎo)通di/dt變大,會(huì)導(dǎo)致較高的dv/dt,增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。因此,在設(shè)計(jì)柵極電阻時(shí)要兼顧到這兩個(gè)方面的問題。因此,RG的選擇應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量、額定電壓及開關(guān)頻率,一般取幾歐姆到幾十歐姆。
4)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有過壓保護(hù)和dv/dt保護(hù)能力。當(dāng)發(fā)生短路或過電流故障時(shí),理想的驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)該具備完善的短路保護(hù)功能。
柵極驅(qū)動(dòng)功率
IGBT要消耗來自柵極電源的功率,其功率受柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)、正偏置電壓的差值△VGE、柵極總電荷Qc和工作頻率Fs的影響。驅(qū)動(dòng)電路電源的最大峰值電流IGPK為
IGPK=±(△VGE/RG)
驅(qū)動(dòng)電路電源的平均功率PAV為
PAV=AVCE×Qc×Fs
驅(qū)動(dòng)電路電源應(yīng)穩(wěn)定,能提供足夠高的正負(fù)柵壓,電源應(yīng)有足夠的功率,以滿足柵極對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求。在大電流應(yīng)用場合,每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路最好都采用獨(dú)立的分立的隔離電源。驅(qū)動(dòng)電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨(dú)立設(shè)置,以減小相互間的干擾,推薦使用帶多路輸出的開關(guān)電源作為驅(qū)動(dòng)電路電源。
三、IGBT的驅(qū)動(dòng)條件
嚴(yán)格地說,能否充分利用器件的性能,關(guān)鍵取決于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。前面講過,理論上VGE≥VGE(th),IGBT即可導(dǎo)通;一般情況下VGE(th)=5~6V,當(dāng)VGE增加時(shí),通態(tài)壓降減小,通態(tài)損耗減小;但I(xiàn)GBT承受短路電流能力減?。划?dāng)VGE太大時(shí),可能引起柵極電壓振蕩,損壞柵極。當(dāng)VGE減小時(shí),通態(tài)壓降增加,通態(tài)損耗增加。
為使通態(tài)壓降最小,同時(shí)IGBT又具有較好的承受短路電流能力,通常選取VGE≥D×VGE(th),當(dāng)VGE(th)為6V,系數(shù)D分別為1.5、2、2.5、3時(shí),VGE則分別為9V、12V、15V、18V;通常柵極驅(qū)動(dòng)電壓VGE取12~15V為宜,12V最佳。IGBT關(guān)斷時(shí),柵極加負(fù)偏壓,提高抗干擾能力,提高承受dv/dt能力,柵極負(fù)偏壓一般為-10V。
在IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)特別注意導(dǎo)通特性、負(fù)載短路能力和dv GE/dt引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓VGE增加,通態(tài)電壓下降,導(dǎo)通能耗EON也下降,分別如圖2a和圖4-2b所示。若使VGE固定不變時(shí),導(dǎo)通電壓將隨集電極的電流增大而增高;導(dǎo)通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。
圖2 正偏置電壓VGE(ON)與VCE和EON的關(guān)系
a)VGE(ON)與VCE的關(guān)系b)VGE(ON)與EON的關(guān)系
IGBT柵極負(fù)偏電壓-VGE直接影響IGBT的可靠運(yùn)行,負(fù)偏電壓增高時(shí)集電極的浪涌電流明顯下降,對(duì)關(guān)斷能耗無顯著影響,-VGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系分別如圖3a和圖3b所示。柵極電阻RG增加,將使IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間增加;因而使導(dǎo)通與關(guān)斷能耗均增加。而柵極電阻減少,則又使di/dt增大,可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通,同時(shí)RG上的損耗也有所增加。
圖3-VGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系
a)-VGE與集電極浪涌電流關(guān)系b)-VGE與關(guān)斷能耗Eoff的關(guān)系
由上述不難得知:IGBT的特性隨柵極驅(qū)動(dòng)條件的變化而變化,就像。雙極型晶體管的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動(dòng)而變化一樣。然而,對(duì)于IGBT來說,柵極驅(qū)動(dòng)條件僅對(duì)其關(guān)斷特性略有影響。
柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗,除了引起電流下降時(shí)間延遲外,柵極電阻還影響開關(guān)損耗。柵極電阻減小時(shí),總損耗將減小。導(dǎo)通損耗主要由MOSFET的特性決定,關(guān)斷損耗主要由少子決定,導(dǎo)通損耗比關(guān)斷損耗受柵極電阻的影響更大。為了減小dv/dt的影響,柵極通常應(yīng)加人一個(gè)負(fù)偏壓。但是,這樣要求增加與高壓側(cè)開關(guān)器件隔離的電源。
柵極電壓的降低有助于控制IGBT承受短路電流的能力,降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓,能夠減小短路時(shí)的集電極電流和功耗。在IGBT柵極串人二極管、電阻網(wǎng)路,就能完成這種功能,并且響應(yīng)時(shí)間小于1μs。在IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下事項(xiàng):
1) IGBT具有一個(gè)2.5~5V的閾值電壓,有一個(gè)容性輸入阻抗,因此IGBTr對(duì)柵極電荷非常敏感,故驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必須很可靠,要保證有一條低阻抗值的放電回路,即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響,必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí),IGBT的導(dǎo)通電阻下降,使開通損耗減??;但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流Ic隨VGE增大而增大,可能使.IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng),導(dǎo)致門控失效,從而造成IGBT的損壞;若正向驅(qū)動(dòng)電壓過小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域,使IGBT過熱損壞;使用中選12V≤VGE≤18V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通,一般負(fù)偏置電壓選-5V為宜。另外,IGBT開通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值,使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。
2) IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率,減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大,因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí),會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓,極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。
3) 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小,柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小,會(huì)使開通瞬間電流較大,從而損壞IGBT;RG較大,有利于抑制dvce/dt,但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic/dt,CG太大,開通時(shí)間延時(shí),CG太小對(duì)抑制dic/dt效果不明顯。
4) 當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí),柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾,而引起器件誤導(dǎo)通,為防止這種現(xiàn)象發(fā)生,可以在柵射間并接一個(gè)電阻。此外,在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰,最好在柵射問并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管,其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。
5) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電,以保證柵極控制電壓VGE有足夠陡的前后沿,使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外,IGBT導(dǎo)通后,柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率,使IGBT因不退出飽和而損壞。
6) 驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號(hào)。
7) 在大電感負(fù)載下,IGBT的開關(guān)時(shí)間不能太短,以限制出di/dt形成的尖峰電壓,確保IGBT的安全。
8) 由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合,故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。
9) IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用,最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能,并要求有較強(qiáng)的抗干擾能力。
四、柵極電阻Rg的作用
1、消除柵極振蕩
絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射(或柵源)極之間是容性結(jié)構(gòu),柵極回路的寄生電感又是不可避免的,如果沒有柵極電阻,那柵極回路在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)脈沖的激勵(lì)下要產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩,因此必須串聯(lián)一個(gè)電阻加以迅速衰減。
2、轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)器的功率損耗 電容電感都是無功元件,如果沒有柵極電阻,驅(qū)動(dòng)功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的輸出管上,使其溫度上升很多。
3、調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的通斷速度
柵極電阻小,開關(guān)器件通斷快,開關(guān)損耗??;反之則慢,同時(shí)開關(guān)損耗大。但驅(qū)動(dòng)速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高,從而產(chǎn)生較大的干擾,嚴(yán)重的將使整個(gè)裝置無法工作,因此必須統(tǒng)籌兼顧。
五、igbt驅(qū)動(dòng)器如何選擇?
1 確定igbt門極容量
在設(shè)計(jì)和選購igbt 驅(qū)動(dòng)器之前,必須首先知道igbt 的門極負(fù)荷q,這是一個(gè)十分重要的參數(shù),但在igbt 的技術(shù)參數(shù)中生產(chǎn)廠家一般并不直接給出,而需要我們借助其它參數(shù)得到。igbt 具有mosfet 的輸入級(jí),在igbt的技術(shù)資料中往往有一個(gè)參數(shù)ciss,一般我們把它叫作輸入電容,該電容的測試往往是在ugs=0,uos=25v,f=1mhz 的情況下進(jìn)行,由于密勒效應(yīng), 該值往往比在ugs= o v 時(shí)要小,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),igbt 的輸入電容一般滿足下面的公式 cin≈5ciss 一般simens 和 eupec 公司的igbt 滿足上述公式。知道了igbt 的輸入電容cin,門極的負(fù)荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表門極的驅(qū)動(dòng)電壓,大多數(shù)的igbt 開通電壓+15v,關(guān)斷電壓-5v,因而△u= 2 0 v , 如應(yīng)用十分廣泛的e x b 8 4 1 系列。高電壓、大電流igbt 往往開通關(guān)斷均為15v,因而△ u= 3 0 v 。
2 開關(guān)頻率確定
開關(guān)頻率的大小不僅影響系統(tǒng)的控制精度,而且影響系統(tǒng)的整體性能,如運(yùn)行效率,噪聲指標(biāo)。開關(guān)頻率是所有電力電子變換器的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)igbt 的門極容量,儲(chǔ)存在igbt 輸入電容中的能量可以計(jì)算得到每個(gè)脈沖周期柵極充放電各一次,因而驅(qū)動(dòng)一只igbt 的功率為:f 為開關(guān)頻率。驅(qū)動(dòng)器的平均輸出電流iout可以這樣得到:p=iout * △u 比較上面兩式q=iout / f 驅(qū)動(dòng)器的平均電流在數(shù)據(jù)文檔可以找到,則igbt的最大允許開關(guān)頻率可以得到: 。
3 門極驅(qū)動(dòng)電阻rg的選取
igbt的開關(guān)時(shí)間是由驅(qū)動(dòng)器對(duì)igbt的輸入電容的充放電來控制,增加門極輸出電流,igbt 開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短,開關(guān)損耗也會(huì)降低,rg主要是用來限制門極輸出的降值電流, rg可由下式確定: rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)文檔中找到。有些情況下,充放電峰值電流不同,門極電阻可以分別選取。
4 igbt驅(qū)動(dòng)器的比較選擇
4.1 光電耦合和變壓器耦合式比較 光電耦合隔離式采用直流電源,輸出脈沖寬度可調(diào)。通過檢測集電極電壓實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。具有使用方便穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是雙側(cè)均采用電源,電路復(fù)雜。比如exb841驅(qū)動(dòng)器,光電耦合器輸入與輸出之間耐壓一般較低為交流2500v,但實(shí)際使用中設(shè)備承受力不符合其條件,給使用帶來限制。另外,一旦igbt 燒壞,驅(qū)動(dòng)器受到損壞給維修帶來不便且不經(jīng)濟(jì)。 變壓器耦合隔離式不用專設(shè)的電源,線路簡單, 輸入輸出間耐壓高, 成本低、響應(yīng)快。缺點(diǎn)是igbt 關(guān)斷期間得不到持續(xù)的反向門極電壓,抗干擾能力差,且輸出脈沖寬度不可調(diào),不能實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù),并且由于漏感的存在使繞組的繞制工藝復(fù)雜容易出現(xiàn)振蕩。
4.2 igbt 驅(qū)動(dòng)器選擇 目前市場上可見的驅(qū)動(dòng)器:光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)器有日本富士exb841,國內(nèi)落木源電子ka101,日本英達(dá)hr065等。變壓器隔離式驅(qū)動(dòng)器有美國unitrode公司uc3724-3725系列,還有專用的用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上2個(gè)igbt的美國ir公司的ir2110及國內(nèi)落木源電子的kd303,還有德國西門子公司的skh121等??晒┻x用的范圍很廣,應(yīng)用方便。但使用時(shí)應(yīng)注意過電流問題, 比如exb841 系列驅(qū)動(dòng)器,采用era34-10 型快速二極管, 導(dǎo)通電壓為3v , 反向耐壓采用與igbt 相同的等級(jí)。可以實(shí)現(xiàn)自身過電流保護(hù),但若igbt 過電流對(duì)其壽命是有影響的。解決辦法是: ①反串穩(wěn)壓管, 限制igbt 的電流為200a,使工作穩(wěn)定可靠且電路簡單;②采用電流傳感器進(jìn)行直接限流。
評(píng)論
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