一種內(nèi)置隔離電源的混合集成IGBT驅(qū)動(dòng)器

　　igbt（isolated gate bipolartransistor），即絕緣柵型雙極性晶體管具有優(yōu)越的低飽和壓降，較高的電壓和較大的電流輸出等特點(diǎn)，在功率電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)得到更為廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。為了使igbt在大功率系統(tǒng)發(fā)揮更穩(wěn)定和安全的性能，需要為其設(shè)計(jì)專門的驅(qū)動(dòng)器。國外hp、infineon、ir及fuji等都有專用的hvic驅(qū)動(dòng)器。其主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)，在較大功率應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)器常用三菱m57系列與富士exb系列的厚模混合驅(qū)動(dòng)器［1］。但此類驅(qū)動(dòng)器較多不自帶隔離電源，需外部增加隔離電源為其供電，增加了驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜性，造成用戶應(yīng)用不便。本文詳細(xì)介紹了一種自帶隔離電源的igbt集成混合型驅(qū)動(dòng)器qp12w05s-37的原理與性能，并給出了應(yīng)用要點(diǎn)。

2 功能概述

　　qp12w05s-37是一種自帶隔離電源的混分集成igbt驅(qū)動(dòng)器，具有體積小、隔離電壓高、信號(hào)延遲小和驅(qū)動(dòng)功率大等特點(diǎn)。最大應(yīng)用頻率可達(dá)20khz。主要由3個(gè)功能塊組成，如圖1所示。第一功能塊是隔離dc/dc變換器，輸出正負(fù)雙電源為驅(qū)動(dòng)電路提供電源，其又可分為電源輸入，電源隔離和電源輸出三部分；第二功能模塊是控制信號(hào)的隔離驅(qū)動(dòng)放大，輸入驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)具有高隔離電壓的光耦隔離后傳輸?shù)津?qū)動(dòng)放大級(jí)，其電氣隔離電壓可達(dá)3750vac，控制信號(hào)經(jīng)放大級(jí)后輸出驅(qū)動(dòng)igbt。第三功能塊是保護(hù)電路，通過檢測(cè)igbt欠飽和導(dǎo)通壓降實(shí)現(xiàn)過流與短路保護(hù)，并輸出故障信號(hào)。同時(shí)具有軟關(guān)斷和延時(shí)自恢復(fù)功能［2］。

3 工作原理與性能測(cè)試

　　（1）內(nèi)置隔離電源

　　qp12w05s-37驅(qū)動(dòng)器自帶隔離型dc/dc變換器作為驅(qū)動(dòng)電源，采用推挽式變換電路進(jìn)行電能變換，開關(guān)頻率約為500khz，輸出雙路電源電壓作為驅(qū)動(dòng)器輸出部分的供電電源。一路輸出電壓為16v；另一路電壓為-8.9v。每路最大輸出電流為30ma。由于igbt開通與關(guān)斷時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流較大，為了保證開通與關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動(dòng)器能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流，在隔離電源輸出端需加一個(gè)內(nèi)阻較小的電容來保證驅(qū)動(dòng)輸出足夠大的電流要求?？紤]到方便用戶連接以及減小emi，電源初級(jí)側(cè)的地與信號(hào)輸入負(fù)端在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)并未短接，應(yīng)用時(shí)如有需要，可將其兩個(gè)端子在驅(qū)動(dòng)器外部進(jìn)行連接。內(nèi)置了隔離驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于橋式逆變電路中時(shí)，只需單路電源給多只igbt驅(qū)動(dòng)器供電即可，并且該驅(qū)動(dòng)電源可以與控制電路電源共用，極大方便了用戶的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

　?。?）信號(hào)隔離與放大

　　qp12w05s-37驅(qū)動(dòng)器是采用光耦實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離與傳輸，光耦輸入側(cè)信號(hào)須滿足光耦的發(fā)光二極管導(dǎo)通電流要求，推薦輸入電流為10ma~16ma，在不同的控制信號(hào)下需選擇合適的輸入電阻，其計(jì)算方法如下式所示：ri為輸入外接限流電阻； vi為控制輸入信號(hào)幅值；vli為光耦的導(dǎo)通壓降（此驅(qū)動(dòng)器光耦導(dǎo)通壓降為1.7v）；ii為輸入電流（此驅(qū)動(dòng)器可選擇為10ma～16ma）；150為內(nèi)接限流電阻值。經(jīng)過光耦隔離后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)在次級(jí)進(jìn)行了放大，其柵極驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流可達(dá)到5a。其波形如圖2所示。

　?。?）柵極驅(qū)動(dòng)輸出

　　qp12w05s-37驅(qū)動(dòng)器柵極驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流為5a。驅(qū)動(dòng)功率由驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，igbt的柵極電荷及柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值決定。具體可用以下公式來計(jì)算：pg=fsw×qg×ug

　　其中pg為柵極驅(qū)動(dòng)功率；fsw為應(yīng)用頻率；qg為柵極電荷； ug為柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅值。

　　驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流是由驅(qū)動(dòng)電壓與柵極電阻決定，具體的計(jì)算公式如下：

　　最大驅(qū)動(dòng)峰值電流：

　　igmax=ug/rgmin

　　ug=ugon+|ugoff|；

　　rgmin=rg+rg’

　　其中ug為柵極電壓幅值；ugon為igbt開通時(shí)柵極與發(fā)射極之間的電壓（此驅(qū)動(dòng)器為15v），ugoff為igbt關(guān)斷時(shí)柵極對(duì)發(fā)射極的電壓（本驅(qū)動(dòng)器為－8v）；rgmin為最小柵極電阻，rg為外接?xùn)艠O電阻值；rg’為igbt柵極內(nèi)阻及外部線路的阻抗值之和。在實(shí)際計(jì)算中rg’經(jīng)?？珊雎圆挥?jì)。

4 過流與短路保護(hù)

　?。?）短路與過流狀態(tài)檢測(cè)

　　qp12w05s-37驅(qū)動(dòng)器是通過檢測(cè)igbt的欠飽和導(dǎo)通壓降的方法來判斷igbt是否發(fā)生過流或短路。當(dāng)發(fā)生短路后，igbt退出飽和區(qū)，vce增加，當(dāng)其達(dá)到保護(hù)閥值電壓vcestat后，保護(hù)電路關(guān)斷igbt，同時(shí)輸出故障信號(hào)。工作原理如下圖3所示。[!--empirenews.page--]

　　（2）保護(hù)盲區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)

　　由于igbt導(dǎo)通初期集電極-發(fā)射極電壓vce很高，為了防止短路保護(hù)誤動(dòng)作，必須設(shè)計(jì)保護(hù)盲區(qū)時(shí)間。不同的igbt的開通時(shí)間不同，所需的盲區(qū)時(shí)間也略有差別，因此，此驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了盲區(qū)時(shí)間可調(diào)功能，通過外接不同的電容值調(diào)節(jié)盲區(qū)時(shí)間。為了保證驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)電路的靈敏度，最大盲區(qū)時(shí)間不得超過3.5μs。

　?。?） 過流或短路保護(hù)軟關(guān)斷

　　在短路或過流保護(hù)時(shí)，為了防止過快地關(guān)斷igbt引發(fā)過高的峰值電壓從而損壞igbt。qp12w05s-37驅(qū)動(dòng)器設(shè)有保護(hù)時(shí)緩慢降低柵極電壓的軟關(guān)斷功能。為了適應(yīng)不同功率等級(jí)的應(yīng)用，此驅(qū)動(dòng)器還設(shè)有保護(hù)軟關(guān)斷可調(diào)功能。通過調(diào)節(jié)軟關(guān)斷時(shí)間的長短使其在不同功率系統(tǒng)下得到更合適的應(yīng)用。軟關(guān)斷波形如下圖4所示。

　　由于保護(hù)軟關(guān)斷時(shí)間也直接影響著igbt的關(guān)斷損耗，其過長的軟關(guān)斷時(shí)間會(huì)使igbt發(fā)熱過大而損壞，所以在調(diào)節(jié)其軟關(guān)斷時(shí)間時(shí)，需在滿足關(guān)斷峰值電壓要求的條件下盡可能的使軟關(guān)斷時(shí)間縮短。

　　（4） 故障封鎖與恢復(fù)

　　當(dāng)發(fā)生短路故障后，保護(hù)電路會(huì)使驅(qū)動(dòng)器輸出柵極－發(fā)射極電壓反偏，關(guān)斷igbt，同時(shí)輸出故障信號(hào)并封鎖控制信號(hào)輸入，持續(xù)時(shí)間大約1.4ms。在此封鎖時(shí)間段內(nèi)柵極驅(qū)動(dòng)輸出狀態(tài)將不受輸入信號(hào)影響。過了封鎖時(shí)間后驅(qū)動(dòng)器將自動(dòng)恢復(fù)至正常初始狀態(tài)，此時(shí)如有控制信號(hào)輸入時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將正常輸出。其工作原理如圖5所示。

5 應(yīng)用注意事項(xiàng)

　　qp12w05s-37驅(qū)動(dòng)器在應(yīng)用中要注意以下幾個(gè)方面：

　?。?）為了提高驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的穩(wěn)定性，要求在dc/dc輸出端外接低內(nèi)阻電容，容量根據(jù)驅(qū)動(dòng)負(fù)載選擇；

　　（2）驅(qū)動(dòng)器自帶隔離電源只為此驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，所以不可以外接其它負(fù)載；

　?。?）驅(qū)動(dòng)器帶有較多的外部調(diào)節(jié)功能，為了保證調(diào)節(jié)精度和效果，在需要時(shí)外接元件都需盡可能靠近驅(qū)動(dòng)器；

　?。?）柵極驅(qū)動(dòng)輸出到igbt柵極電阻之間的引線要盡可能短，最好控制在18cm內(nèi)。其柵極驅(qū)動(dòng)輸出引線與發(fā)射極輸出引線須用扁平線或雙絞線引出；

　?。?）由于驅(qū)動(dòng)器的柵極驅(qū)動(dòng)輸出的開通與關(guān)斷采用同一個(gè)端子，為了減少關(guān)斷時(shí)igbt集電極的電壓過沖，可以采用下圖6的連接方法，具有不同的開通柵極電阻和關(guān)斷柵極電阻。

　?。?）由于igbt模塊會(huì)因其柵極-發(fā)射極電壓過高而損壞，可在柵極與發(fā)射極之間加一個(gè)雙穩(wěn)壓二極管和10kω的電阻對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。由于普通igbt模塊柵極-發(fā)射極最高電壓為±20v，所以雙穩(wěn)壓二極管可選為16v~18v。

　?。?）短路檢測(cè)二極管具有反向恢復(fù)特性，為了防止igbt集電極高壓引入驅(qū)動(dòng)器，可在故障檢測(cè)端加一個(gè)30v的穩(wěn)壓二極管到com端來保護(hù)驅(qū)動(dòng)器。

6 結(jié)束語

　　qp12w05s-37驅(qū)動(dòng)器具有完善的過流與短路保護(hù)功能，驅(qū)動(dòng)功率大，集成度高，可靠性高，特別是內(nèi)置有dc/dc隔離變換器，用戶無需外接隔離電源，極大地簡化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。