這次IGBT終于不炸了！詳解逆變H橋IGBT單管驅(qū)動(dòng)

大家都知道，IGBT單管相當(dāng)?shù)拇嗳?，同樣電流容量的IGBT單管，比同樣電流容量的MOSFET脆弱多了，也就是說(shuō)，在逆變H橋里頭，MOSFET上去沒(méi)有問(wèn)題，但是IGBT上去，可能開(kāi)機(jī)帶載就炸了。這一點(diǎn)很多人估計(jì)都深有體會(huì)。當(dāng)時(shí)我看到做魚(yú)機(jī)的哥們用FGH25N120AND這個(gè)，反映很容易就燒了，當(dāng)時(shí)不以為然。

直到我在工作中遇到，一定要使用IGBT的時(shí)候，我才發(fā)現(xiàn)我錯(cuò)了。當(dāng)初我非常天真的認(rèn)為，一個(gè)IRFP460,20A/500V的MOSFET，我用個(gè)SGH40N60UFD40A/600V的IGBT上去怎么樣也不會(huì)炸的吧。實(shí)際情況卻是，帶載之后，突然加負(fù)載和撤銷(xiāo)負(fù)載，幾次下來(lái)就炸了。我以為是電路沒(méi)有焊接好，然后同樣的換上去，照樣炸掉，這樣白白浪費(fèi)了好多IGBT。

后來(lái)發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律，就是采用峰值電流保護(hù)的措施就能讓IGBT不會(huì)炸。下面我就會(huì)將這些東西一起詳細(xì)的說(shuō)一說(shuō)，說(shuō)的不好請(qǐng)大家見(jiàn)諒，也希望高手們多多提出意見(jiàn)。

驅(qū)動(dòng)電路

這次采用的IGBT為IXYS的，IXGH48N60B3D1。

驅(qū)動(dòng)電路如圖1。

圖1

這是一個(gè)非常典型的應(yīng)用電路，完全可以用于IGBT或者M(jìn)OSFET，但是也有些不一樣的地方：

• 有負(fù)壓產(chǎn)生電路；

• 隔離驅(qū)動(dòng)；

• 單獨(dú)電源供電。

首先我們來(lái)總體看看，這個(gè)電路沒(méi)有保護(hù)，用在逆變上100%炸，但是我們可以將這個(gè)電路的實(shí)質(zhì)摸清楚。

?驅(qū)動(dòng)電阻

驅(qū)動(dòng)電阻R2，這個(gè)在驅(qū)動(dòng)里頭非常重要；圖1上還有D1配合關(guān)閉的時(shí)候，讓IGBT的CGE快速的放電。實(shí)際上看需要，這個(gè)D1也可以不要，也可以在D1回路里頭串聯(lián)一個(gè)電阻做0FF關(guān)閉時(shí)候的柵極電阻。

下面發(fā)兩個(gè)波形照片，不同的柵極電阻，和高壓HV+400V共同產(chǎn)生作用的時(shí)候，上下2個(gè)IGBT柵極的實(shí)際情況，如圖2所示。

圖2

圖2是在取消負(fù)壓的時(shí)候，上下2管之間的柵極波形，柵極電阻都是在10R情況下。

圖2里，第一個(gè)圖是在不加DC400V情況下測(cè)量2管G極波形，第二個(gè)圖是在DC400V情況下，2管的柵極波形。

為何第二個(gè)圖會(huì)有一個(gè)尖峰呢？這個(gè)要從IGBT的內(nèi)部情況說(shuō)起。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，IGBT的GE上有一個(gè)寄生的電容，它和另外的CGC一個(gè)寄生電容共同組成一個(gè)水池子，那就是QG，其實(shí)這個(gè)和MOSFET也很像的。

?尖峰電壓

那么再來(lái)看看，為何400V加上去，就會(huì)在下管上的G級(jí)上產(chǎn)生尖峰？

借花獻(xiàn)佛，抓個(gè)圖片來(lái)說(shuō)明：

圖3

如圖3所示，當(dāng)上管開(kāi)通的時(shí)候，此時(shí)是截止的。由于上管開(kāi)通的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候要引入DV/DT的概念，這個(gè)比較抽象，先不管它。簡(jiǎn)單通俗的說(shuō)，就是上管開(kāi)通的時(shí)候，上管等效為直通了，+DC400V電壓立馬加入到下管的C級(jí)上；這么高的電壓立刻從IGBT的寄生電容上通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流上圖有公式計(jì)算；這個(gè)電流在RG電阻和驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻的共同作用下，在下管的柵極上構(gòu)成一個(gè)尖峰電壓，如圖2的那個(gè)示波器截圖所示。

到目前為止，沒(méi)有引入米勒電容的概念。理解了這些，然后對(duì)著規(guī)格書(shū)一看，米勒電容是什么，對(duì)電路有何影響，就容易理解多了。

這個(gè)尖峰有許多壞處，從圖2示波器截圖可以看出來(lái)：在尖峰時(shí)刻，下管實(shí)際上已經(jīng)到7V電壓了，也就是說(shuō)，在尖峰的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，上下2個(gè)管子是共同導(dǎo)通的。下管的導(dǎo)通時(shí)間短，但是由于有TON的時(shí)間關(guān)系在里面，所以這個(gè)電流不會(huì)太大。管子不會(huì)炸，但是會(huì)發(fā)熱，隨著傳輸?shù)墓β试酱?，這個(gè)情況會(huì)更加嚴(yán)重，大大影響效率。

解決辦法是加入負(fù)壓。負(fù)壓可以使這個(gè)尖峰在安全的電平范圍內(nèi)。

電流采集電路

說(shuō)到這一步，就是離保護(hù)不遠(yuǎn)了，我的經(jīng)驗(yàn)就是電流采集速度要很快。這樣才能在過(guò)流或短路的時(shí)候，迅速告訴后面的電路這里出問(wèn)題了，讓IGBT迅速安全的關(guān)閉。

?電流采集電路實(shí)現(xiàn)

這個(gè)電路該如何實(shí)現(xiàn)呢？

對(duì)于逆變電路，我們可以直接用電阻采樣，也可以用VCE管壓降探測(cè)方式。管壓降探測(cè)這個(gè)網(wǎng)上有多次討論出現(xiàn)過(guò)，但是都沒(méi)有一個(gè)真正能用，真正實(shí)際應(yīng)用過(guò)，測(cè)試過(guò)的電路（專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片例外）。這是因?yàn)槊糠N實(shí)際應(yīng)用的參數(shù)大不一樣，比如IGBT參數(shù)不同，需要調(diào)整的參數(shù)很多，需要一定的經(jīng)驗(yàn)做調(diào)整。

我們可以從最簡(jiǎn)單的方式入手，采用電阻檢測(cè)這個(gè)電流，短路來(lái)了，可以在電阻上產(chǎn)生壓降，用比較器和這個(gè)電壓進(jìn)行比較，得出最終是否有過(guò)流或者短路信號(hào)。

用圖4就可以了，因?yàn)樵矸浅：?jiǎn)單，就一個(gè)比較的作用，大家實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)非常容易，沒(méi)有多少參數(shù)可以調(diào)整的。

圖4

圖4是采樣H橋?qū)Φ氐碾娏鞑杉娐贰?/span>

?舉個(gè)例子

如果IGBT是40A，我們可以采取2倍左右的峰值電流，也就是80A。

對(duì)應(yīng)圖4，RS為0.01R。如果流入超過(guò)80A脈沖電流，那么在該電阻上產(chǎn)生0.01R*80A=0.8V電壓。

此電壓經(jīng)過(guò)R11、C11消隱之后到比較器的+端，與來(lái)自-端的基準(zhǔn)電壓相比較。（圖4上的-端參考電阻設(shè)置不對(duì)，實(shí)際中請(qǐng)另外計(jì)算）

本例可以分別采用5.1K和1K電阻，分壓變成0.81V左右到-端；此時(shí)如果采樣電阻RS上的電壓超過(guò)0.8V以上，比較器立即翻轉(zhuǎn)，輸出SD 5V電平到外部的電路中。

這個(gè)變化的電平信號(hào)就是我們后面接下來(lái)需要使用的是否短路過(guò)流的信號(hào)了。

?關(guān)閉IGBT

有了這個(gè)信號(hào)了，那我們?nèi)绾侮P(guān)閉IGBT呢？我們可以看情形是否采取軟關(guān)閉，也可以采取直接硬關(guān)閉。

（1）軟關(guān)閉：

采取軟關(guān)閉，可以有效防止在關(guān)閉的瞬間造成電路的電壓升高的情況，關(guān)閉特性非常軟，很溫柔，非常適合于高壓大功率的驅(qū)動(dòng)電路。

（2）硬關(guān)閉：

如果采取硬關(guān)閉，可能會(huì)造成高壓DC上的電壓過(guò)沖，比如圖1中的DC400V高壓可能變成瞬間變成DC600V也說(shuō)不定。當(dāng)時(shí)我看一些資料上的記載的時(shí)候，非常難以理解，關(guān)就關(guān)了嘛，高壓難道還自己升上去了？實(shí)際情況卻是真實(shí)存在的。

如果大家難以理解，可以做個(gè)試驗(yàn)，家里有水塔的，最清楚。水塔在很高的樓上，水龍頭在一樓，打開(kāi)水龍頭，水留下來(lái)了；然后用極快的速度關(guān)閉這個(gè)水龍頭，你會(huì)聽(tīng)到水管子有響聲，連水管子都會(huì)要震動(dòng)一下（不知道說(shuō)的對(duì)不對(duì)，請(qǐng)高手指正，在此引入水龍頭這個(gè)例子還得感謝我讀書(shū)的時(shí)候，老師看我們太笨了，講三極管特性原理的時(shí)候打的比喻，在此我要感謝他），IGBT在橋電路的原理同樣如此。

在IGBT嚴(yán)重短路的時(shí)候，如果立馬硬關(guān)閉IGBT，輕則只是會(huì)在母線上造成過(guò)沖的感應(yīng)電壓（至于為何會(huì)過(guò)沖可以查相關(guān)資料，很多資料都說(shuō)到了），管子能抗過(guò)去，比如你在直流高壓母線上并聯(lián)了非常好的吸收電容，有多重吸收電路等等……

重則，管子關(guān)閉的時(shí)候會(huì)失效，關(guān)了也沒(méi)有用，IGBT還是會(huì)被過(guò)沖電壓擊穿短路，而且這個(gè)短路是沒(méi)有辦法恢復(fù)的，會(huì)立即損壞非常多的電路。有時(shí)候沒(méi)有過(guò)壓也能引起這種現(xiàn)象，這個(gè)失效的原理具體模型本人未知；但是可以想象的是可能是由于管子相關(guān)的其他寄生電容和米勒電容共同引起失效的，或者是由于在過(guò)流，短路信號(hào)發(fā)生時(shí)候，IGBT已經(jīng)發(fā)生了擎柱效應(yīng)就算去關(guān)，也關(guān)不死了。

（3）二級(jí)關(guān)閉：

還有第三種方式，是叫做：二級(jí)關(guān)閉。這種方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是檢測(cè)到了短路，過(guò)流信號(hào)，PWM此時(shí)這個(gè)脈沖并沒(méi)有打算軟關(guān)閉或直接關(guān)閉，而是立即將此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的VGE驅(qū)動(dòng)脈沖電壓降低到8V左右以此來(lái)判斷是否還是在過(guò)流或短路區(qū)域；如果還是，繼續(xù)沿用這個(gè)8V的驅(qū)動(dòng)，一直到設(shè)定的時(shí)間，比如多個(gè)us還是這樣就會(huì)立即關(guān)了，如果是，PWM將會(huì)恢復(fù)正常。這種方式一般可能見(jiàn)到不多，所以我們不做深入研究。

理解了這些，我們可以看情況來(lái)具體采用那些關(guān)閉的方式，我認(rèn)為在2KW級(jí)別中，DC380V內(nèi)，直接采取硬關(guān)閉已經(jīng)可以滿足要求了，只需要在H橋上并聯(lián)吸收特性良好的一個(gè)電容，就可以用600V的IGBT了。

關(guān)鍵的一點(diǎn)就是檢測(cè)時(shí)候要快速，檢測(cè)之后要關(guān)閉快速，只有做到了快，IGBT就不會(huì)燒。

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