摘要：本文根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)光耦特性總結(jié)了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求。采用PC929設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，分析了保護(hù)電路的性能。進(jìn)行的正常開(kāi)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)和故障保護(hù)實(shí)驗(yàn)表明，該電路可滿足IGBT驅(qū)動(dòng)的要求，并具有可靠的保護(hù)功能。
關(guān)鍵詞：IGBT；驅(qū)動(dòng)電路；保護(hù)電路
1.引言
絕緣門極雙極型晶體管IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor)，是八十年代中期發(fā)展起來(lái)的一種復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合器件，既具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展迅速，很快在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。在IGBT的實(shí)際應(yīng)用中，其柵極驅(qū)動(dòng)電路的合理設(shè)計(jì)是保證IGBT安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)外推出了針對(duì)IGBT的多種驅(qū)動(dòng)模塊，如EXB841、M57962L、IR2110[4]、IXDN404[7]等，實(shí)際應(yīng)用中，多種IGBT驅(qū)動(dòng)模塊電路使用上都有其局限性[3]。本文介紹了一種采用PC929芯片的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法，具有簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，可用于中小功率的變流器。
2IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求
根據(jù)IGBT的特性，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路有如下要求：
(1) 提供適當(dāng)?shù)恼聪驏艠O電壓，使IGBT可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開(kāi)通損耗均下降，但若柵極電壓UGE過(guò)大，則負(fù)載短路時(shí)其IC隨UGE增大而增大，對(duì)其安全不利。因此使用中UGE取15V左右的正向柵極電壓較為合適[2]。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般選UGE為-10V左右為宜。
(2)IGBT開(kāi)通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致因退出飽和而損壞。
(3) 能為IGBT柵極提供具有較陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。IGBT的快速開(kāi)通和關(guān)斷可降低開(kāi)關(guān)損耗。
(4) 選擇恰當(dāng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的柵極電阻和保護(hù)檢測(cè)回路電阻。
(5) 具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍可能破壞柵極[6]。
(6) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的保護(hù)功能。IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的G-E端不能開(kāi)路。
3.基于PC929的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
日本SHARP公司生產(chǎn)的PC929芯片具有高速、內(nèi)建短路保護(hù)電路、使用方便等特點(diǎn)，是一種比較典型的驅(qū)動(dòng)電路芯片。驅(qū)動(dòng)電流最大為0.4A；具有小于0.5ms的高速響應(yīng)時(shí)間；隔離電壓高達(dá)4kV，適用于中小容量IGBT的驅(qū)動(dòng)。
本文設(shè)計(jì)的基于PC929的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路具有單電源、正負(fù)偏壓、過(guò)流檢測(cè)、可靠保護(hù)等主要特性，功能較為完善，具有廣泛應(yīng)用前景。驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)主電路和保護(hù)邏輯電路兩部分組成。
3.1 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介
圖1所示為基于PC929的驅(qū)動(dòng)電路。PC929是內(nèi)建短路保護(hù)電路的門極驅(qū)動(dòng)高速光耦芯片，PWM脈沖輸入到芯片1、3腳，26伏的供電電壓接到13、14腳。由于橋臂上、下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓不能共地，因此每個(gè)IGBT管的驅(qū)動(dòng)電路需要單獨(dú)電源供電，本實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)關(guān)電源提供的各路獨(dú)立的直流電源。
11腳通過(guò)R10構(gòu)成門極脈沖輸出，通過(guò)電阻R11和10伏穩(wěn)壓管DW產(chǎn)生10V電壓基準(zhǔn)，這樣，PC929輸出驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)E點(diǎn)為正16伏和負(fù)10伏電壓信號(hào)，滿足驅(qū)動(dòng)IGBT的要求。
9腳為故障判斷引腳，外圍由R6、R7、R8、R9、R13、D1、D2、D3、C2構(gòu)成包含濾波功能的故障判斷回路。通過(guò)設(shè)計(jì)9腳外圍電路，可以把需要產(chǎn)生保護(hù)的電流量與9腳規(guī)定的Vcc-6伏電壓建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。
8腳作為芯片的故障輸出引腳通過(guò)光耦接到保護(hù)邏輯電路。
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?????????????????????????????????????????????????????? 圖1 基于PC929的驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)?/p>
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3.2驅(qū)動(dòng)電路工作原理
1、正常開(kāi)關(guān)過(guò)程
當(dāng)控制電路PWM脈沖進(jìn)入PC929芯片，在PWMx輸入信號(hào)為低電平時(shí)，芯片中的光耦導(dǎo)通，信號(hào)通過(guò)芯片中的推挽電路，11腳產(chǎn)生相對(duì)于E點(diǎn)的16伏高電平，經(jīng)過(guò)電阻R10給IGBT柵極提供電流，使管子迅速導(dǎo)通。
反之，如果PWMx輸入信號(hào)為高電平，芯片中光耦不導(dǎo)通，則11腳產(chǎn)生相對(duì)于E點(diǎn)的負(fù)10伏低電平脈沖信號(hào)，柵極電荷迅速放掉，封鎖IGBT。
柵極電阻R10對(duì)工作性能有較大的影響，R10較大時(shí)，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗；R10較小時(shí)，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。R10的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾十歐左右，小容量的IGBT其R10值一般較大。本文實(shí)驗(yàn)電路中柵極電阻R10選為100歐姆。
2、故障保護(hù)動(dòng)作
PC929對(duì)IGBT的保護(hù)是通過(guò)檢測(cè)Vce電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。R6～R9,R13,D3構(gòu)成對(duì)Vce的檢測(cè)回路，當(dāng)IGBT產(chǎn)生過(guò)流故障或短路故障的時(shí)候，集電極電流迅速增加，IGBT集電極電壓上升。導(dǎo)致9腳電壓超過(guò)保護(hù)值，即當(dāng)電位高于Vcc-6（20V）時(shí)，關(guān)斷輸出，同時(shí)芯片8腳FS輸出低電平故障信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦B1送至RS觸發(fā)器。隔離后的保護(hù)信號(hào)傳遞到保護(hù)閉鎖邏輯電路，經(jīng)過(guò)邏輯處理，將所有脈沖封鎖。
對(duì)Vce的電壓進(jìn)行檢測(cè)的電路參數(shù)選擇，對(duì)于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的保護(hù)十分關(guān)鍵。圖2所示為FP25R12KE3型IGBT，在門極驅(qū)動(dòng)電壓為15V時(shí)的輸出特性曲線。本文實(shí)驗(yàn)電路中IGBT額定運(yùn)行電流為10A，故過(guò)流保護(hù)值設(shè)置為25A。根據(jù)圖2中125攝氏度時(shí)的特性曲線可知，當(dāng)VCE電壓大于2V時(shí)，電流值為 25A。通過(guò)對(duì)R6～R9,R13電阻值的適當(dāng)選取，可以使VCE電壓大于2V時(shí)，PC929的9腳檢測(cè)電壓大于Vcc-6伏，根據(jù)PC929芯片功能封鎖PWM脈沖。
圖2 FP25R12KE3型IGBT的輸出特性曲線[5]
供電電源的質(zhì)量對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)邏輯電路正常使用十分重要。如果在發(fā)生短路過(guò)流的情況下，開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)不穩(wěn)定，影響邏輯電路的供電，就會(huì)導(dǎo)致保護(hù)失敗，不能封鎖脈沖，進(jìn)而容易損壞IGBT。
為了使該驅(qū)動(dòng)電路可靠保護(hù)，必須保證9腳接收的電壓信號(hào)穩(wěn)定而沒(méi)有紋波，電路中設(shè)計(jì)的C2起到了這個(gè)作用，它起到濾除電路中紋波的作用，保證了9腳保護(hù)的高度可靠性，否則可能因?yàn)槊贪l(fā)生誤保護(hù)。
3.3短路保護(hù)閉鎖電路設(shè)計(jì)
圖3 IGBT短路保護(hù)閉鎖邏輯電路
圖3所示為六路驅(qū)動(dòng)電路的邏輯保護(hù)電路，保證了在各種硬件故障情況下各個(gè)IGBT脈沖的可靠封鎖。PC929驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的故障（FAULT）信號(hào)經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器和一個(gè)或門，觸發(fā)器Q輸出高電平使或門輸出保持高電平，產(chǎn)生反饋回驅(qū)動(dòng)芯片的保護(hù)信號(hào)，可以封鎖六路芯片輸出脈沖。同時(shí)，觸發(fā)器 
輸出SC信號(hào)引起DSP功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，DSP進(jìn)行相應(yīng)的程序處理。
4. 試驗(yàn)結(jié)果分析
將上述驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于3.7kW三相PWM整流器中，進(jìn)行了如下試驗(yàn)。
圖4是使用該驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的典型驅(qū)動(dòng)脈沖的波形圖，其中通道l為輸入控制信號(hào)，通道2為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖所示，可以看出該驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的16V高電平和負(fù)10V低電平脈沖，可以可靠導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT。
圖4 門極典型驅(qū)動(dòng)脈沖波形
圖5是驅(qū)動(dòng)脈沖的上升沿波形圖，其中通道l為輸入控制信號(hào)，通道2為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖中可以看出，當(dāng)控制信號(hào)產(chǎn)生導(dǎo)通命令的時(shí)候，該驅(qū)動(dòng)電路在3ms時(shí)，脈沖就達(dá)到16V，及時(shí)導(dǎo)通IGBT。
圖5 門極驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿波形
圖6是驅(qū)動(dòng)脈沖的下降沿波形圖，其中通道l為輸入控制信號(hào)，通道2為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖中可以看出，當(dāng)控制信號(hào)產(chǎn)生關(guān)斷命令的時(shí)候，該驅(qū)動(dòng)電路在3ms時(shí)，脈沖達(dá)到負(fù)10V，及時(shí)關(guān)斷IGBT。
圖6 門極驅(qū)動(dòng)脈沖下降沿波形
圖7是IGBT發(fā)生功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)時(shí)候，通過(guò)邏輯閉鎖電路封鎖另外一路驅(qū)動(dòng)脈沖的波形圖，其中通道l為功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)信號(hào)（低電平保護(hù)），通道2為輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。圖中可以看出，當(dāng)IGBT產(chǎn)生功率保護(hù)控制信號(hào)產(chǎn)生低電平的時(shí)候，該驅(qū)動(dòng)電路的邏輯閉鎖電路在2～3ms內(nèi)及時(shí)使其他各路IGBT關(guān)斷，性能可以達(dá)到可靠保護(hù)所有IGBT的要求。
圖7 發(fā)生短路保護(hù)后驅(qū)動(dòng)脈沖波形
5.結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路具有如下主要特點(diǎn)：①使用帶有短路保護(hù)功能的芯片PC929，簡(jiǎn)化了電路的結(jié)構(gòu)；②該驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路應(yīng)用到3.7kW三相變流器中，6個(gè)IGBT管均使用相同的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，性能可靠；③設(shè)計(jì)了的保護(hù)邏輯電路，能夠滿足IGBT短路保護(hù)的需要，且具有故障自鎖功能。試驗(yàn)結(jié)果證明，該IGBT驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全、可靠，有較大的應(yīng)用前景。
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