IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究

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1、IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究2008/6/13/09:20  来源：中国自动化网    引言    IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。    但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。    为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出

2、了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300AIGBT的驱动和保护电路。    1、IGBT的工作特性    IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通与关断是

3、由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE（th）时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。    IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。    2、IGBT驱动电路要求    在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。    1）栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，．IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC

4、随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤UGE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选一5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。    2）IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IG

5、BT或其他元器件被击穿。    3）选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制dvce／dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，开通时间延时，CG太小对抑制dic／dt效果不明显。    4）当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联

6、的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。    3、HCPL-316J驱动电路    3.1HCPL-316J内部结构及工作原理    HCPL-316J的内部结构如图1所示，其外部引脚如图2所示。        从图1可以看出，HCPL-316J可分为输入IC（左边）和输出IC（右边）二部分，输入和输出之间完全能满足高压大功率IGBT驱动的要求。[1] [2] [3] [4] 下一页    各引脚功能如下：    脚1（VIN+）正向信号输入；    脚2（VIN-）反向信号输入；    脚3（VCG1）接输入电源；    脚4（GND）输入端的地；    脚5（RESER

7、T）芯片复位输入端；    脚6（FAULT）故障输出，当发生故障（输出正向电压欠压或IGBT短路）时，通过光耦输出故障信号；    脚7（VLED1+）光耦测试引脚，悬挂；    脚8（VLED1-）接地；    脚9，脚10（VEE）给IGBT提供反向偏置电压；    脚11（VOUT）输出驱动信号以驱动IGBT；    脚12（VC）三级达林顿管集电极电源；    脚13（VCC2）驱动电压源；    脚14（DESAT）IGBT短路电流检测；    脚15（VLED2+）光耦测试引脚，悬挂；