IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN404應(yīng)用及改進(jìn)
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介紹了IXYS公司大功率IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN404的特點(diǎn)及性能,并在此基礎(chǔ)上,根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)的實(shí)際要求,設(shè)計(jì)出了一種具有過(guò)流保護(hù)及慢關(guān)斷功能的簡(jiǎn)單有效的驅(qū)動(dòng)電路,給出了實(shí)際電路圖和驅(qū)動(dòng)波形。
關(guān)鍵詞:IGBT;驅(qū)動(dòng)與保護(hù);IXDN404
0 引言
絕緣柵晶體管IGBT是近年來(lái)發(fā)展最快而且很有前途的一種復(fù)合型器件,并以其綜合性能優(yōu)勢(shì)在開(kāi)關(guān)電源、UPS、逆變器、變頻器、交流伺服系統(tǒng)、DC/DC變換、焊接電源、感應(yīng)加熱裝置、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,在其使用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了不少影響其應(yīng)用的問(wèn)題,其中之一就是IGBT的門極驅(qū)動(dòng)與保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)使用較多的有富士公司生產(chǎn)的EXB系列,三菱公司生產(chǎn)的M579系列,MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC33153等驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)電路各有特點(diǎn),均可實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù),但也有其應(yīng)用限制,例如:驅(qū)動(dòng)功率低,延遲時(shí)間長(zhǎng),保護(hù)電路不完善,應(yīng)用頻率限制等。本文,以IXYS公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN404為基礎(chǔ),介紹了其特性和參數(shù),設(shè)計(jì)了實(shí)際驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可滿足IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)和過(guò)流及短路時(shí)實(shí)施慢關(guān)斷策略的保護(hù)要求。
1 IXDN404驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介
IXDN404為IXYS公司生產(chǎn)的高速CMOS電平IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)器,其特性如下:
——高輸出峰值電流可達(dá)到4A;
——工作電壓范圍4.5V~25V;
——驅(qū)動(dòng)電容1800pF<15ns;
——低傳輸延遲時(shí)間;
——上升與下降時(shí)間匹配;
——輸出高阻抗;
——輸入電流低;
——每片含有兩路驅(qū)動(dòng);
——輸入可為TTL或CMOS電平。
其電路原理圖如圖1所示,主要電氣參數(shù)如表1所列。
圖1 IXDN404電路原理圖
表1 IXDN404主要電氣參數(shù)
符號(hào) | 參數(shù) | 測(cè)試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
---|---|---|---|---|---|---|
Vih | 輸入門限電壓,邏輯1 | 3.5 | V | |||
Vil | 輸入門限電壓,邏輯0 | 0.8 | V | |||
Voh | 輸出電壓,邏輯1 | Vcc-0.025 | V | |||
Vol | 輸出電壓,邏輯0 | 0.025 | V | |||
Ipeak | 峰值輸出電流 | Vcc=18V | 4 | A | ||
Idc | 連續(xù)輸出電流 | Vce=18V | 1 | A | ||
tr | 上升時(shí)間 | C1=1800pF Vcc=18V | 11 | 12 | 15 | ns |
tf | 下降時(shí)間 | C1=1800pF Vcc=18V | 12 | 14 | 17 | ns |
tond | 上升時(shí)間延遲 | C1=1800pF Vcc=18V | 33 | 34 | 38 | ns |
toffd | 下降時(shí)間延遲 | C1=1800pF Vcc=18V | 28 | 30 | 35 | ns |
Vcc | 供電電壓 | 4.5 | 18 | 25 | V | |
Icc | 供電電流 | Vin=+Vcc | 10 | μA |
2 驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用與改進(jìn)
圖2為IXDN404組成的IGBT實(shí)用驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路,該電路可驅(qū)動(dòng)1200V/100A的IGBT,驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲時(shí)間不超過(guò)150ns,所以開(kāi)關(guān)頻率圖2由IXDN404組成的IGBT保護(hù)與驅(qū)動(dòng)電路圖1IXDN404電路原理圖可以高達(dá)100kHz??蓱?yīng)用于DSP控制的高頻開(kāi)關(guān)電源、逆變器、變頻器等功率電路中。根據(jù)IXYS公司的使用手冊(cè),IXDN404僅能提供0~+Vcc的驅(qū)動(dòng)脈沖。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上,增加5.1V穩(wěn)壓二極管Z3以實(shí)現(xiàn)-5V偏置電壓;由穩(wěn)壓管電壓為光耦6N137和反相器CD4069供電,節(jié)省了一路驅(qū)動(dòng)電源;增加降柵壓及慢關(guān)斷保護(hù)電路,實(shí)現(xiàn)IGBT的保護(hù)功能;降柵壓及慢關(guān)斷電路是通過(guò)控制IXDN404供電電壓Vcc來(lái)實(shí)現(xiàn)的,明顯不同于其它保護(hù)電路的前級(jí)降壓控制方式。下面介紹其工作原理。
圖2 由IXDN404組成的IGBT保護(hù)與驅(qū)動(dòng)電路 [!--empirenews.page--]
2.1 正常開(kāi)通過(guò)程
當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí),快速光耦6N137導(dǎo)通,經(jīng)過(guò)一級(jí)反相,輸入IXDN404,輸出+15V脈沖,IGBT正常導(dǎo)通。同時(shí),由于光耦輸出為反相,V4截止,V5導(dǎo)通,C1由電源充電,C1電壓不會(huì)超過(guò)9V,這是因?yàn)镮GBT正常導(dǎo)通時(shí)Vces不高于3V,二極管D2導(dǎo)通,A點(diǎn)電位箝位在8V,加上電阻R10的壓降,C點(diǎn)電位接近9V。Z1截止,V2截止,V1導(dǎo)通,B點(diǎn)電位接近20V;Z2截止,V3截止,D點(diǎn)電位接近B點(diǎn)電位。C1充電時(shí)間常數(shù)τ1=R9×C1=2.42μs,C1充電到9V的時(shí)間為
t1=τ1ln=1.45μs(1)
2.2 正常關(guān)斷過(guò)程
當(dāng)控制信號(hào)為低電平,光耦輸出高電平,反相輸出低電平,由于Z3箝位IXDN404輸出脈沖為-5V,IGBT正常關(guān)斷。這時(shí),V4導(dǎo)通,V5截止,C點(diǎn)電位保持在9V;Z1截止,V2截止,V1導(dǎo)通,B點(diǎn)電位接近20V;Z2截止,V3截止,D點(diǎn)電位接近B點(diǎn)電位。
2.3 保護(hù)過(guò)程
設(shè)IGBT已經(jīng)導(dǎo)通,各點(diǎn)電位如2.1所說(shuō)。當(dāng)電路過(guò)流時(shí),IGBT因承受大電流而退出電阻區(qū),Vces上升,二極管D2截止,A點(diǎn)對(duì)電容C1的箝位作用消失;C點(diǎn)電位從9V上升,同時(shí)Z1反向擊穿,V2導(dǎo)通,V1截止,B點(diǎn)電位由R1和Rc以及IXDN404芯片內(nèi)阻分壓決定,箝位在15V,柵壓降為10V。柵壓的下降可有效地抑制故障電流并增加短路允許時(shí)間。降柵壓運(yùn)行時(shí)間為
t2=τ1ln=1.09μs(2)
如果在這段時(shí)間內(nèi),電路恢復(fù)正常,D2導(dǎo)通,A點(diǎn)繼續(xù)箝位,V2截止,V1導(dǎo)通,電路恢復(fù)2.1所說(shuō)狀態(tài)。如果D2仍處于斷態(tài),也就是故障電流仍然存在,C點(diǎn)電壓繼續(xù)上升,經(jīng)過(guò)t2時(shí)間上升到13V,Z2反向擊穿,V3導(dǎo)通,電容C2通過(guò)電阻R12放電,D點(diǎn)與B點(diǎn)電位同時(shí)下降,IGBT柵壓逐漸下降,實(shí)現(xiàn)慢關(guān)斷過(guò)程,避免了正常關(guān)斷大電流時(shí)所引起的過(guò)電壓。慢關(guān)斷過(guò)程時(shí)間為t3,由C2和R12決定。由IXDN404工作電壓范圍為4.5~25V,τ2=R12×C2=4.84μs,可知
t3=τ2ln=5.83μs(3)
另外,在IGBT開(kāi)通過(guò)程中,如果二極管D2不能及時(shí)導(dǎo)通,將造成保護(hù)電路的誤動(dòng)作,因此D2要選擇快速二極管,也可通過(guò)適當(dāng)增加Z1穩(wěn)壓值和增大電阻R9以增大C1充電時(shí)間常數(shù)延長(zhǎng)保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)間。但這與保護(hù)動(dòng)作的快速性相矛盾,具體應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際電路要求和功率器件的特性作出折中的選擇。
2.4 幾點(diǎn)說(shuō)明
1)為使驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到最大,本電路將兩路輸入輸出并聯(lián)使用,最大驅(qū)動(dòng)峰值電流可達(dá)8A,這個(gè)峰值電流是由電容Cc瞬間放電產(chǎn)生;
2)光耦6N137輸出為輸入反相,IXDN404為同相輸入輸出,為保證控制邏輯正確,中間需加一級(jí)反相器,也可采用帶反相的IXDI404;
3)圖2中可在E點(diǎn)處加入一個(gè)光耦,其輸出可作為短路保護(hù)信號(hào)送給控制邏輯,以封鎖本路及其它各路的PWM信號(hào),確保主電路安全;
4)IXDN404驅(qū)動(dòng)電路對(duì)脈沖信號(hào)非常敏感,實(shí)際操作時(shí)要保證連線盡量短,輸出要用雙絞線接IGBT,電路所用元器件也可采用貼片式,既縮小驅(qū)動(dòng)電路體積,也提高了工作穩(wěn)定度。
圖3為實(shí)測(cè)IGBT的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào),其中通道1為輸入控制信號(hào),通道2為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。所用IGBT為仙童公司HGTG18N120BND。從圖中可以看出驅(qū)動(dòng)電路延遲時(shí)間僅為100ns。其中圖3(d)為模擬IGBT過(guò)流時(shí)的保護(hù)波形,首先降柵壓運(yùn)行,然后慢關(guān)斷,最后由于低電壓供電,IXDN404輸出驅(qū)動(dòng)電壓封鎖在-2V左右。
(a)100kHz時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形
(b)100kHz時(shí)的上升過(guò)程
(c)100kHz時(shí)的下降過(guò)程
(d)20kHz時(shí)保護(hù)波形
圖3 電路實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)波形
3 結(jié)語(yǔ)
由IXDN404組成的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路可滿足IGBT驅(qū)動(dòng)要求,其特點(diǎn)可歸納如下:
——驅(qū)動(dòng)電源+20V單路供電,驅(qū)動(dòng)?xùn)艍海?5V~-5V;
——最大驅(qū)動(dòng)峰值電流可達(dá)8A,滿足大功率IGBT驅(qū)動(dòng)要求;
——電路信號(hào)延遲時(shí)間短,工作頻率可以達(dá)到100kHz或者更高,可適應(yīng)大多數(shù)電路需要;
——可實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)及降柵壓慢關(guān)斷功能;
——電路成本相對(duì)較低。
綜上所述,這種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是一種低成本、高性能的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。