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IGBT功率元件的应用及护卫技术

IGBT功率元件的应用及护卫技术

文章内容:

 
    随着半导体元件制造工艺的完善和制造技术的进步,半导体功率元件正朝着大电流、高电压、快通断、功耗小、易护卫、模块化标的目的开展,现已呈现了双极性晶体管GTR、功率场效应管MOSFET、功率绝缘栅控双极性晶体管IGBT。IGBT晶体管是集GTR与MOSFET二者长处于一体的复合器件,它既有MOSFET的输入阻抗高、速度快、开关损耗小、驱动电路简略、要求驱动功率小、极限工作温度高、易驱动的特点,又具有功率晶体管GTR的通态电压低、耐压高和电流容量大的长处,为电压控制通断的自关断器件,其频次特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于数十kHz频次范围内,功率元件IGBT正日益宽泛地应用于体积小、噪音低、性能高的变频电源及大功率的交换伺服电机的调速系统中,在较高频次的大、中功率应用中占据了主导地位,并已初步在上述领域中代替功率双极性晶体管GTR 和功率场效应管MOSFET 中。与GTR和MOSFET一样,IGBT应用的关键问题是驱动电路和护卫电路,本文依据在实际工作中对IGBT的应用探讨有关IGBT的驱动及护卫问题。

栅极电阻RG。IGBT 的输入阻抗高达109~ 1011欧姆,且为纯容性的,不需直流电流,在它的栅极~发射极间施加十几伏的电压,只要uA级的漏电流流过,根本上不耗费功率。为了改善控制脉冲前后沿陡度,减少IGBT集电极大的电压尖脉冲,需在栅极串联电阻RG,栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开明过程影响较大,而对关断过程影响小一些,串联电阻小有利于加快关断速率,减小关断损耗,但过小会构成di/dt增高,孕育发生较大的集电极电压尖峰,可能引起误导通或损坏IGBT。因而对串联电阻要依据详细电流容量和电压额定值及开关频次的差异,选择适宜的阻值,并且栅极串联电阻应随着IGBT电流容量的增多而减小。一般RG为十几欧至几百欧。

图1 驱动、护卫电路图
    阈值电压UGE(th)由器件自身性能决定,实际应用中UGE应不小于(1.5~2.5)UGE(th),以利取得最小导通压降。当UGE增多时,导通状态下的集射电压UCE压减小,通态压降和开明损耗均下降;但负载过程中UGE增多,集电极电流Ic也随之增多,IGBT能接受短路电流的工夫减小,对其安详倒霉,因而在有短路过程的办法中Uge应选得小些,由于饱和导通电压是IGBT发热的主要起因之一,因而必需尽量减小。综合思考,一般选+15V;IGBT关断时,栅射极间加反偏电压有利于IGBT迅速关断,但反偏电压-UGE受栅射极间反向最大耐压限制,过大则构成栅射极的反向击穿,一般-UGE为(-2~-10)V,通常取-5 V关栅电压。电路上接纳稳压管的法子,用+20 V 电压来孕育发生+15V 开栅电压和-5V关栅电压。

由于IGBT在电力电子办法中多用于高压场合,故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离,驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

极驱动电压UGE。在IGBT开明时,脉冲前沿很陡的栅极电压加到栅极和发射极之间,使IGBT快捷开明,开明工夫短,减小开明损耗;在关断时,下降沿陡的反向偏置电压加到栅极与发射极间,使之快捷关断,减小关断损耗。因而,用内阻小的驱动源对栅极电容充放电,以担保栅极控制电压UGE有足够陡的前后沿,使IGBT的开关损耗尽量小。IGBT导通中及瞬时过载时,栅极驱动源应能提供足够的功率,使IGBT不退出饱和而损坏。
    EXB841是日本富士公司消费的混合集成电路,能驱动动高达400A 的600V IGBT 和高达300A的1200V IGBT,模块功能较完善,具有单电源、正负偏压、过流检测、护卫、软关断等主要特性,是一种比较典型的驱动电路。用+20V直流电源供电,能孕育发生+15V 的开栅电压和-5V 的关栅电压,内装TLP550高速光耦隔离芯片,驱动电路信号延迟小于1us,内部集成了过流检测电路及低速过流切断电路,在国内得到了宽泛应用。使用该模块时要留心如下方面:IGBT的珊射极驱动回路接线必然要小于1 m;IGBT的栅射驱动接线应为双绞线;假如在IGBT集电极孕育发生大的电压脉冲,则要增多IGBT的珊极串联电阻(RG);47uF电容用于吸收由于电源接线阻抗引起的电压变革,并不是电源滤波器的电容器。下图为由EXB841组成的驱动及护卫电路:

栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的开明过程及驱动脉冲的波形都有很大影响。设想时应综合思考。

    IGBT的驱动电路必需具备两个功能:一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;二是提供适宜的栅极驱动脉冲。IGBT的驱动电路很多,分立元件搭成的驱动电路,简略、廉价;专用集成驱动电路护卫功能完善、性能不变,但价格稍贵些。
    本文对IGBT的驱动和护卫停止了剖析,联结实际应用,得出了如下几点结论:

4 完毕语

1 引言

IGBT的栅极驱动电路应尽可能简略实用,最好本身带有对IGBT的护卫功能,有较强的抗干扰才华。

栅射电阻RGE。当集射极问加有高压时易受干扰使栅射电压凌驾UGE(th)引起误导通,在栅射极间并接一栅射电阻RGE可防止此现象发生;RGE阻值太小,会使IGBT开明工夫变大,降低了开关频次,通常RGE取(1000~5000)RG。并将RGE并在栅极与射极最近处。别的,为防止呈现尖峰电压,在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管,稳压值与开栅电压+UGE和关栅电压-UGE雷同,标的目的相反。

    IGBT正常工作时,EXB841的过流信号指示端5脚为高电平,4N25不导通,触发器R脚为“0”,Q脚为“1”,IGBT正常工作。当IGBT呈现过流信号时,EXB841内部过流检测电路经几微秒延时,以滤掉干扰信号,5脚变为低电平,4N25导通,触发器翻转,Q脚为“0”,关断IGBT驱动信号,起到护卫作用。在工作中,应用了专用集成驱动模块EXB841,驱动了2 kw 的感性负载一高频疲劳试验机的电磁鼓励线圈,效果很好。

3 IGBT驱动电路应用实例

在大电感负载下,IGBT的开关工夫不能太短,以限制出di/dt造成的尖峰电压,确保IGBT的安详。

    功率IGBT是电压驱动元件,具有一个(3~6)V的阈值电压,有一个较大的容性输入阻抗,对栅极电荷十分敏感,故驱动电路必需很牢靠,IGBT开关特性和安详工作区随着栅极驱动电路性能的变革而变革,驱动电路性能间接决定IGBT是否正常工作,IGBT常接纳栅极驱动,与其它自关断器件一样,IGBT对驱动电路也有一些特殊要求。

IGBT功率元件的应用及回护技术

2 IGBT对控制驱动电路的要求

栅极驱动电路要简略、实用,抗干扰性能好,本身护卫功能完好,到IGBT的引出线尽量短,接纳双绞线,驱动电路与控制电路接纳光电耦合隔离。

在实际应用中,为到达更好的效果,在过流护卫上还需接纳如软关断、降栅压等方法;接纳钳位电路防止孕育发生浪涌电压等。

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