IGBT串聯(lián)設(shè)計(jì)電路 工作原理

IGBT屬于場控功率管,具有開關(guān)速度快、管壓降小等特點(diǎn),在各領(lǐng)域的電子電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用,在運(yùn)用中，針對IGBT單管耐壓值不高的情況，技術(shù)人員常常需要將多只IGBT管串聯(lián)以增加IGBT管的耐壓值，拓展其運(yùn)用范圍。采用多個(gè)多個(gè)IGBT管串聯(lián)能合理的控制耐壓值和成本，但在IGBT管串聯(lián)運(yùn)用中其觸發(fā)電路設(shè)計(jì)以及單只IGBT有限的電壓和電流能力一直是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為避免IGBT管電路軍壓問題，IGBT管串聯(lián)盡量使用同品牌同規(guī)格型號的IGBT管。今天我們介紹一種以IGD515EI驅(qū)動(dòng)器為主要器件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路,適用于大功率、高耐壓IGBT模塊串、并聯(lián)電路的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。通過光纖傳輸驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)識別信號,進(jìn)行高壓隔離傳輸,具有良好的抗電磁干擾性能和高于15A的驅(qū)動(dòng)電流。因此,該電路適用于高壓大功率場合。

IGBT串聯(lián)電路設(shè)計(jì)

1. 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在隔離的高電位端, IGD515EI內(nèi)部的DC-DC電源模塊只需一路驅(qū)動(dòng)電源就能夠產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)所需的±15V電源。器件內(nèi)還包括功率管的過流和短路保護(hù)電路,以及信號反饋檢測功能。該電路是一種性能優(yōu)異、成熟的驅(qū)動(dòng)電路。本方案采用IGD515EI,加入相應(yīng)的外圍電路,構(gòu)成了IGBT驅(qū)動(dòng)電路,通過IGD515EI的34腳(SDSOA)多管聯(lián)用特性端實(shí)現(xiàn)兩管串聯(lián)應(yīng)用,解決了IGBT單管耐壓不高的問題。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。驅(qū)動(dòng)信號通過光纖接收器HFBR-2521送給驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)動(dòng)模塊報(bào)故障時(shí)通過光纖發(fā)射器HFBR-1521送出故障信號給控制電路,由控制電路切斷所有IGBT驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號,各個(gè)IGD515EI同時(shí)輸出-15V的負(fù)偏壓,各個(gè)IGBT同時(shí)關(guān)斷,避免個(gè)別器件提前關(guān)斷,造成過壓擊穿。

圖1：IGBT串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

2.IGBT驅(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)

由于IGD515EI只需要單路電源供電,在輸入端的10腳(VCC)和9腳(GND)接入+15V電源,由模塊內(nèi)部通過DC/DC變換產(chǎn)生±15V和+5V輸出,為光纖發(fā)射器、接收器以及輸出電路提供電源。因而對每個(gè)處于高電位的驅(qū)動(dòng)電路來說,只需提供一個(gè)15V電源即可,便于做到電位隔離。

3.IGBT柵極觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器的25腳(G)輸出的驅(qū)動(dòng)電壓為±12V~±15V,這取決于電源電壓;也可不產(chǎn)生負(fù)的柵極電壓,這要由具體的應(yīng)用和所使用的功率管決定。最大柵極充電電流是±15A,充電電流由外接的柵極電阻限定。如果將25腳G通過電阻直接與IGBT:G相連, IGBT的驅(qū)動(dòng)波形上升沿較大,但I(xiàn)GBT導(dǎo)通后上升較快,如圖2所示;

圖2：IGD515EI輸出端不加MOS管時(shí)IGBT的驅(qū)動(dòng)波形(-14V~+12V, 5V/div, 5μs/div)

如果在25腳與IGBT:G中間串入一只MOS管,進(jìn)行電流放大,可有效地減小IGBT驅(qū)動(dòng)波形的上升沿,縮短IGBT的導(dǎo)通過程,減小IGBT離散性造成的導(dǎo)通不一致性,減小動(dòng)態(tài)均壓電路的壓力,但I(xiàn)GBT導(dǎo)通后上升較慢,其波形如圖3所示。

圖3：IGD515EI輸出端加MOS管時(shí)IGBT的驅(qū)動(dòng)波形(-14V~+12V, 5V/div, 5μs/div)

IGBT串聯(lián)參數(shù)和電容選擇

(1)響應(yīng)時(shí)間電容和中斷時(shí)間電容選擇

功率管,特別是IGBT的導(dǎo)通需要幾個(gè)微秒,因此功率管導(dǎo)通后要延遲一段時(shí)間才能對其管壓降進(jìn)行監(jiān)測,以確定IGBT是否過流,這個(gè)延遲即為“響應(yīng)時(shí)間”。響應(yīng)時(shí)間電容CME的作用是和內(nèi)部1. 5kΩ上拉電阻構(gòu)成數(shù)微秒級的延時(shí)ta,CME的計(jì)算方法如下:

在IGBT導(dǎo)通以后,通過IGD515EI內(nèi)部的檢測電路對19腳的檢測電壓(IGBT的導(dǎo)通壓降)進(jìn)行檢測。若導(dǎo)通壓降高于設(shè)定的門限,則認(rèn)為IGBT處于過流工作狀態(tài),由IGD515EI的35腳送出IGBT過流故障信號,經(jīng)光纖送給控制電路,將驅(qū)動(dòng)信號封鎖一小段時(shí)間。這段時(shí)間為截止時(shí)間tb,大小由20腳(Cb)與24腳(COM)之間外接的電容Cb確定。對于給定的截止時(shí)間,則Cb由下式確定:

設(shè)計(jì)中,我們選擇Cbmax=470nF,此時(shí)截止時(shí)間為33. 65ms。需要說明的是,通過調(diào)整19腳的外接電阻的阻值,可以調(diào)整檢測的門限電平。

IGBT的串聯(lián)問題解決

(1)串聯(lián)IGBT電壓均衡

串聯(lián)IGBT工作的一個(gè)重要方面是對由于器件的離散特性與驅(qū)動(dòng)電路的不匹配在器件兩端引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)不均衡。

靜態(tài)均衡可以在IGBT的C、E兩端并聯(lián)阻值較大的電阻R4來實(shí)現(xiàn),如圖4所示。通過并聯(lián)電阻的分壓,保證在IGBT關(guān)斷期間每只IGBT兩端的電壓相等。該電阻必須參考IGBT的漏電流,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行合適的選擇,要使流過分壓電阻的電流比IGBT的最大漏電流大若干倍,同時(shí)要注意均壓電阻的阻值不能過分小,以免增加功率損耗。

動(dòng)態(tài)均壓電路由圖4中的D1、R1、C1組成。在IGBT開始關(guān)斷或開始導(dǎo)通時(shí),由于IGBT導(dǎo)通的離散性,必然有個(gè)別IGBT提前導(dǎo)通或提前關(guān)斷,在遲后導(dǎo)通和提前關(guān)斷的IGBT兩端,必然會產(chǎn)生尖峰電壓,在IGBT的兩端通過D1并聯(lián)電容C1,使尖峰電壓必須先對C1充電,這樣IGBT兩端的尖峰電壓的上升速度受到C1的限制,并可由并聯(lián)在每個(gè)IGBT兩端的C1分壓,由C1實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)尖峰電壓的均衡。在IGBT導(dǎo)通期間,由于D1的單向?qū)щ娞匦? C1通過R1、IGBT將儲存的電荷放掉,以便吸收IGBT下次關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓。選擇R1時(shí)要考慮C1的放電時(shí)間常數(shù),確定合適的阻值。

圖4：IGBT均壓等效電路

對于串聯(lián)IGBT來說,其動(dòng)態(tài)不均壓最為嚴(yán)重的情況是由于IGBT導(dǎo)通延遲時(shí)間的差異引起的,在動(dòng)態(tài)均壓效果良好的情況下, IGBT上的電壓變化將受到C1的限制。設(shè)每個(gè)IGBT能夠承擔(dān)的額外的電壓能力為△UIGBT,在串聯(lián)IGBT未完全導(dǎo)通時(shí)刻回路中的電流(可用IGBT完全導(dǎo)通時(shí)刻回路中的放電電流代替)是I,設(shè)該IGBT相對于其它IGBT的導(dǎo)通遲后的時(shí)間是△t,則均壓電容C1應(yīng)滿足下式要求:

C1=I△t/△UIGBT

而

△UIGBT=VIGBT-UN/n

VIGBT是IGBT的額定工作電壓,UN是串聯(lián)IGBT的工作電壓,n是IGBT的串聯(lián)數(shù)量。根據(jù)上式可求出均壓電容C1,對R1的取值既要保證3R1C1≤脈沖寬度τ,以便在脈內(nèi)使電容C1上的電荷通過R1放完,同時(shí)還要使其起到限流作用,即盡量取得大一些。

(2)串聯(lián)IGBT的保護(hù)

在多只IGBT串聯(lián)時(shí),將IGD515EI的34腳(SD-SOA)應(yīng)接入+5V。這樣,即使某個(gè)IGBT發(fā)生故障,故障的IGBT也不會提前關(guān)斷,而是將故障信號通過光纖送給控制電路,由控制電路關(guān)斷所有IGBT的驅(qū)動(dòng)信號,所有的IGBT同時(shí)關(guān)斷,即使在出現(xiàn)故障的情況下也要保證串聯(lián)IGBT關(guān)斷的一致性。

為了防止IGBT柵極過壓,采用如圖1中D1、D2背對背15V穩(wěn)壓管。為了防止IGBT過熱,在IGBT的散熱器上加溫度繼電器。同時(shí),采用互感器檢測通過IGBT的電流,檢測的信號送至比較器與設(shè)定的電平值相比較。電流超過設(shè)定值時(shí)就輸出過流信號,由控制電路關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號。

兩只IGBT串聯(lián)工作結(jié)果

最初我們使用2只IGBT模塊串聯(lián)作為剛管調(diào)制器的放電開關(guān),工作電壓為2kV,前沿<0. 2μs,波形如圖6所示。該調(diào)制器連續(xù)工作數(shù)十小時(shí),輸出波形穩(wěn)定可靠,證明驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)選擇合理。將取得經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于10只IGBT串聯(lián),工作于8kV的剛管調(diào)制器中也取得了良好的效果,其波形與圖5類似。

圖5 調(diào)制器輸出電壓波形(500V/div, 5μs/div)

兩只串聯(lián)IGBT管具有良好的驅(qū)動(dòng)特性,輸出的正向柵極電壓和反向柵極電壓均能滿足要求。該電路只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源,克服了以往模塊驅(qū)動(dòng)中外接電源較多的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)穩(wěn)定。