IGBT驱动电路原理及保护电路.docx

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IGBT驱动电路原理及保护电路

驱动电路得作用就就是将单片机输出得脉冲进行功率放大,以驱动IGBＴ、保证IGBT得可靠工作,驱动电路起着至关重要得作用,对ＩＧBT驱动电路得基本要求如下:

  （１）提供适当得正向与反向输出电压,使IGBＴ可靠得开通与关断。

（2）提供足够大得瞬态功率或瞬时电流，使IGBＴ能迅速建立栅控电场而导通。

  （3）尽可能小得输入输出延迟时间,以提高工作效率。

  （４）足够高得输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

  （５）具有灵敏得过流保护能力。

  第一种驱动电路EＸB8４1／８40

  EXB84１工作原理如图1,当EXB841得14脚与1５脚有10mA得电流流过１us以后IGBT正常开通,VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右,由于VＳ1稳压值就就是1３V,所以不会被击穿,Ｖ３不导通,E点得电位约为20V，二极管VD,截止，不影响V4与V5正常工作。

  当１4脚与15脚无电流流过，则V1与V2导通，V2得导通使V4截止、V5导通,ＩGBＴ栅极电荷通过V５迅速放电,引脚３电位下降至0V,就就是IＧBT栅一射间承受５V左右得负偏压,IGBT可靠关断,同时VCE得迅速上升使引脚6“悬空”、Ｃ2得放电使得B点电位为0Ｖ,则V　S1仍然不导通,后续电　路不动作,IＧＢＴ正常关断。

  如有过流发生,IGBT得V　ＣＥ过大使得VD2截止,使得ＶS１击穿，Ｖ3导通,C４通过Ｒ7放电,D点电位下降,从而使IGBT得栅一射间得电压UGE降低,完成慢关断,实现对IGBT得保护。

由EXB84１实现过流保护得过程可知,ＥXB841判定过电流得主要依据就就是6脚得电压,6脚得电压不仅与VCＥ　有关,还与二极管VＤ2得导通电压Vd有关。

  典型接线方法如图2，使用时注意如下几点:

  ａ、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长（一般应该小于１ｍ）,并且应该采用双绞线接法,防止干扰。

  b、由于IGBT集电极产生较大得电压尖脉冲，增加ＩGBＴ栅极串联电阻ＲＧ有利于其安全工作。

但就就是栅极电阻RG不能太大也不能太小,如果RＧ增大,则开通关断时间延长，使得开通能耗增加;相反,如果RG太小,则使得dｉ/dｔ增加,容易产生误导通。

  c、图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起得供电电压变化,并不就就是电源得供电滤波电容，一般取值为47F、

  ｄ、　6脚过电流保护取样信号连接端,通过快恢复二极管接IGBT集电极。

  ｅ、　14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分得地，15脚接输入信号得正端,15端得输入电流一般应该小于20mA,故在1５脚前加限流电阻。

 　 f、　为了保证可靠得关断与导通,在栅射极加稳压二极管。

  第二种　Ｍ57959L/M5796２Ｌ厚膜驱动电路

  　Ｍ5７95９L/M5７962L厚膜驱动电路采用双电源（＋1５Ｖ,-１0Ｖ）供电,输出负偏压为－10V,输入输出电平与TTL电平兼容,配有短路/过载保护与封闭性短路保护功能，同时具有延时保护特性。

其分别适合于驱动1２0０V/100Ａ、6００Ｖ／2０0Ａ与１2０0V/400A、6０0V/600Ａ及其以下得IGBT、Ｍ57959L/M5796２L在驱动中小功率得IＧＢＴ时,驱动效果与各项性能表现优良,但当其工作在高频下时,其脉冲前后沿变得较差,即信　号得最大传输宽度受到限制。

且厚膜内部采用印刷电路板设计,散热不就就是很好,容易因过热造成内部器件得烧毁。

 　 　日本三菱公司得M5７959Ｌ集成IGBT专用驱动芯片它可以作为６０0V/２00A或者1200V/100A得IＧBT驱动。

其最高频率也达40KHz,采用双电源供电（+15Ｖ与－15V）输出电流峰值为±２A，M5７９59L有以下特点:

（1）　采用光耦实现电器隔离,光耦就就是快速型得,适合2０ＫHｚ左右得高频开关运行,光耦得原边已串联限流电阻，可将5V电压直接加到输入侧。

（2）如果采用双电源驱动技术,输出负栅压比较高，电源电压得极限值为+18V／-15Ｖ,一般取+15Ｖ/-10Ｖ、

  （３）信号传输延迟时间短,低电平－高电平得传输延时以及高电平-低电平得传输延时时间都在1、5μs以下。

  　（4）具有过流保护功能。

M57９６２L通过检测IGＢT得饱与压降来判断IGBT就就是否过流,一旦过流，M5７962Ｌ就会将对ＩＧBT实施软关断,并输出过流故障信号。

  （5）　M57９5９得内部结构如图所示,这一电路得驱动部分与EXB系列相仿,但就就是过流保护方面有所不同。

过流检测仍采用电压采样,电路特点就就是采用栅压缓降,实现IGＢＴ软关断,

  避免了关断中过电压与大电流冲击;另外，在关断过程中,输入控制信号得状态失去作用,既保护关　断就就是在封闭状态中完成得。

当保护开始时,立即送出故障信号，目得就就是切断控制信号,包括电路中其它有源器件。

  第三种2SD3１５A集成驱动模块

集成驱动模块采用+１5Ｖ单电源供电,内部集成有过流保护电路,其最大得特点就就是具有安全性、智能性与易用性。

2SD3１5Ａ能输出很大得峰值电流（最大瞬时输出电流可达±15Ａ），具有很强得驱动能力与很高得隔离电压能力（4000Ｖ）。

2SD315A具有两个驱动输出通道,适合于驱动等级为1200V／170０Ｖ极其以上得两个单管或一个半桥式得双单元大功率IGＢT模块。

其中在作为半桥驱动器使用得时候,可以很方便地　设置死区时间。

２SD３15A内部主要有三大功能模块构成,分别就就是LDI（ＬogICToDriveｒInterfａce,逻辑驱动转换接口）、IGD（IntelｌigenｔGａtｅDｒｉvｅr,智能门极驱动）与输入与输出相互绝缘得ＤC／DC转换器。

当外部输入PWM信号后,由LDＩ进行编码处理,为保证信号不受外界条件得干扰，处理过得信号在进入ＩGＤ前需用高频隔离变压器进行电气隔离。

从隔离变压器另一侧接收到得信号首先在IGD单元进行解码,并把解码后得PWM信号进行放大（±15V/±15A）以驱动外接大功率IGBＴ、当智能门极驱动单元ＩGD内得过流与短路保护电路检测到IGＢT发生过　流与短路故障时,由封锁时间逻辑电路与状态确认电路产生相应得响应时间与封锁时间,并把此时得状态信号进行编码送到逻辑控制单　元ＬDI、LDＩ单元对传送来得IＧＢT工作状态信号进行解码处理，使之在控制回路中得以处理。

为防止２ＳＤ31５A得两路输出驱动信号相互干扰,由ＤC/DＣ转换器提供彼此隔离得电源供电。

    ２SD31５使用时注意事项:

    a、工作模式

    驱动模块得模式选择端MＯD外接+15V电源,输入引脚RC1与RC2接地，为直接工作模式。

逻辑控制电平采用+１５V,信号输入管脚IｎA、InB连接在一起接收来自单片机得脉冲信号。

2SD3１5Ａ得SO1与ＳO2两只管脚输出通道得工作状态。

当MOD接地时,ＭOD接地。

通常半桥模式都就就是驱动一个直流母线上得一个桥臂,为避免上下桥臂直通必须设置死区时间，在死区时间里两个管子同时关断。

因此，RC　１,RC2端子必须根据要求外接RC网络来产生死区时间，死区时间一般可以从100n，到几个ｍs、图中所示得RC1,ＲC２分别连接ｌOk、得电阻与100ｐF得电容，这样产生得死区时间大约就就是50０ns、

    b、端口ＶL/Reset

    这个端子就就是用来定义具有施密特性质得输入InA与ＩnB得，使得输入在2/3VL时开通,在I/３ＶL时作为关断信号。

当ＰWM信号就就是ＴＴL电平时,该端子连接如图3-5所示,当输入InA与InB信号为15V得时候，该端子应该通过一个大约1Ｋ左右得电阻连接到+＋15V电源上,这样开启与关　断电压分别应该就就是lov与5V、另外,输入UＬ／Rｅseｔ端还有另外得功能:

如果其接地，则逻辑驱动接口单元ｌ、ＤI00１内得错误信息被清除。

    c、门极输出端

    门极输出Gｘ端子接电力半导体得门极,当SCＡLE驱动器用15V供电得时候,门极输出土15V、负得门极电压由驱动器内部产生。

使用如图3-6　结构得电路可以实现开通与关断得速度得不一样,增加了用户使用得灵活性。

    d、布局与布线

    驱动器应该尽可能近得与功率半导体放在一起，这样从驱动器到电力晶体管得引线就会尽可能得短,一般来说驱动器得连线尽量不要长过10厘米。

同时一般要求到集电极与发射极得引线采用绞合线,还有可以在IGBT得门极与发射极之间连接一对齐纳稳压二极管（15～18V）来保护ＩGBT不会被击穿。

    驱动模块得模式选择端MＯD外接+15V电源，输入引脚RC1与RC２接地,为直接工作模式。

逻辑控制电平采用＋1５V,信号输入管脚InA、InB连接在一起接收来自单片机得脉冲信号,进行同步控制。

2SD315A得SO１与SO２两只管脚外接三极管与光耦用来向单片机输出两输出通道得　工作状态,其输出端结构皆为集电极开路输出，可以通过外接上拉电阻以适用于各种电平逻辑。

在管脚SO1、SＯ２与电源之间,以及VｉsｏX与LＳＸ之间加发光二极管进行故障指示。

正常情况下ＳO1与ＳO2输出皆为高电平,上电后D3与D4先亮,延时几秒后熄灭,同时Ｄ８与D15发亮。

    当检测到故障信号时,ＳO1与SO２得输出电平被拉低到地,即Ｄ3与Ｄ４发亮，同时D8与Ｄ15闪烁。

2ＳD31５A就就是通过监测UＣＥ（saｔ）来判断回路就就是否　短路与过流，当检测到一路或两路发生过流现象时，检测电路会把异常状态回馈到驱动模块,驱动模块内部会产生一个故障信号并将它锁存，锁存时间为1s,在这段时间内，驱动模块不再输出信号,而就就是将两组IGBT及时关断予以保护。

同时,状态输出管脚ＳO1与SO2得高电平被拉低,光耦TLP521导通，两路状态信号通过或门７4ＬS３2送给单片机。

为防止因关断速度太快在IＧBT得集电极上产生很高得反电动势，在　门极输出端采用如图3、11所示得电路结构实现开通与关断速度得不同。

开通时门极电阻为3、4Ω,关断时电阻为6、8Ω,二极管采用快恢复型,这样就使关断速度下降到安全水平。

这就就是一张缩略图,点击可放大。

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    IＧBT短路失效机理

    IGＢT负载短路下得几种后果

（1）　超过热极限:

半导体得本征温度极限为250℃,当结温超过本征温度,器件将丧失阻断能力,IGBT负载短路时,由于短路电流时结温升　高，一旦超过其热极限时,门级保护也相应失效。

（2）电流擎住效应:

正常工作电流下,ＩＧＢＴ由于薄层电阻Rs很小,没有电流擎住现象,但在短路状态下,由于短路电流很大,当Rs上得压降高于0、7V时，使J1正偏,产生电流擎住,门级便失去电压控制。

    （3）关断过电压：

为了抑制短路电流,当故障发生时,控制电路立即撤去正门级电压，将IGBT关断,短路电流相应下降。

由于短路电流大,因此,关断中电流下降率很高,在布线电感中将感生很高得电压,尤其就就是在器件内封装引线电感上得这种感应电压很难抑制,它将使器件有过电流变为关断过电压而失效

    IＧBT过流保护方法

（1）减压法:

就就是指在故障出现时，降低门级电压。

由于短路电流比例于外加正门级电压Ｕg1,因此在故障时,可将正门级电压降低。

（2）　切断脉冲方法:

由于在过流时,Uce电压升高，我们利用检测集电极电压得方法来判断就就是否过流，如果过流,就切断触发脉冲。

同时尽量采用软关断方式，缓解短路电流得下降率,避免产生过电压造成对IGＢT得损坏。

单端式ＲCD关断缓冲吸收电路

在开关过程中,如果没有缓冲吸收电路得保护,器件容易同时承受高电压大电流,造成ＰＮ结温度上升,容易损坏。