IGBT驱动RG电阻的选取Word格式.docx
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开关频率是所有电力电子变换器的一个重要参数。
根据IGBT的门极容量,储存在IGBT输入电容中的能量可以计算得到
每个脉冲周期栅极充放电各一次,因而驱动一只IGBT的功率为:
f为开关频率。
驱动器的平均输出电流Iout可以这样得到:
P=Iout*△U比较上面两式Q=Iout/f驱动器的平均电流在数据文档可以找到,则IGBT的最大允许开关频率可以得到:
。
3门极驱动电阻Rg的选取
IGBT的开关时间是由驱动器对IGBT的输入电容的充放电来控制,增加门极输出电流,IGBT开通时间和关断时间会相应缩短,开关损耗也会降低,Rg主要是用来限制门极输出的降值电流,Rg可由下式确定:
Rg=△U/Ipeak
Ipeak一般可以在驱动器数据文档中找到。
有些情况下,充放电峰值电流不同,门极电阻可以分别选取。
4IGBT驱动器的比较选择
4.1光电耦合和变压器耦合式比较
光电耦合隔离式采用直流电源,输出脉冲宽度可调。
通过检测集电极电压实现过电流保护。
具有使用方便稳定性好的优点。
缺点是双侧均采用电源,电路复杂。
比如EXB841驱动器,光电耦合器输入与输出之间耐压一般较低为交流2500V,但实际使用中设备承受力不符合其条件,给使用带来限制。
另外,一旦IGBT烧坏,驱动器受到损坏给维修带来不便且不经济。
变压器耦合隔离式不用专设的电源,线路简单,输入输出间耐压高,成本低、响应快.缺点是IGBT关断期间得不到持续的反向门极电压,抗干扰能力差,且输出脉冲宽度不可调,不能实现过电流保护,并且由于漏感的存在使绕组的绕制工艺复杂容易出现振荡。
4.2IGBT驱动器选择
目前市场上可见的驱动器:
光电耦合隔离驱动器有日本富士EXB841,国内落木源电子KA101,日本英达HR065等。
变压器隔离式驱动器有美国Unitrode公司UC3724-3725系列,还有专用的用来驱动一个桥臂上2个IGBT的美国IR公司的IR2110及国内落木源电子的KD303，还有德国西门子公司的SKH121等。
可供选用的范围很广,应用方便。
但使用时应注意过电流问题,比如EXB841系列驱动器,采用ERA34-10型快速二极管,导通电压为3V,反向耐压采用与IGBT相同的等级.可以实现自身过电流保护,但若IGBT过电流对其寿命是有影响的。
解决办法是:
①反串稳压管,限制IGBT的电流为200A,使工作稳定可靠且电路简单;
②采用电流传感器进行直接限流.上述几种驱动器由窄脉冲过电流无法限制,应采用别的措施,在此不一一论述。
5结语
使用时应根据主电路的结构,了解各种驱动器的特性,使选择时减少盲目性,让电路既合理又简单。
目前开关电源大多采用IGBT,其直流对地短路的可能性小,因此不用采用多的过电流措施。
重点应放在防止发生直通现象。
若IGBT应用到变频中,采用光电耦合隔离式驱动器较合适。
IGBT的有关保护问题
时间:
2007-08-21
来源:
作者:
杨斌文胡浩张建
点击：
1389
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摘要：
全面论述了IGBT的过流保护、过压保护与过热保护的有关问题，并从实际应用中总结出各种保护方法，这些方法实用性强，保护效果好。
1引言
IGBT（绝缘栅双极性晶体管）是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，因而广泛应用在变频器的逆变电路中。
但由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。
为此，必须但对IGBT进行相关保护本文从实际应用出发，总结出了过流、过压与过热保护的相关问题和各种保护方法，实用性强，应用效果好。
2过流保护
生产厂家对IGBT提供的安全工作区有严格的限制条件，且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒（SCR、GTR等器件承受过流时间为几十微秒），耐过流量小，因此使用IGBT首要注意的是过流保护。
产生过流的原因大致有：
晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与电机绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。
对IGBT的过流检测保护分两种情况：
（1）驱动电路中无保护功能。
这时在主电路中要设置过流检测器件。
对于小容量变频器，一般是把电阻R直接串接在主电路中，如图1（a）所示，通过电阻两端的电压来反映电流的大小；
对于大中容量变频器，因电流大，需用电流互感器TA（如霍尔传感器等）。
电流互感器所接位置：
一是像串电阻那样串接在主回路中，如图1（a）中的虚线所示；
二是串接在每个IGBT上，如图1（b）所示。
前者只用一个电流互感器检测流过IGBT的总电流，经济简单，但检测精度较差；
后者直接反映每个IGBT的电流，测量精度高，但需6个电流互感器。
过电流检测出来的电流信号，经光耦管向控制电路输出封锁信号，从而关断IGBT的触发，实现过流保护。
图1IGBT的过流检测
（2）驱动电路中设有保护功能。
如日本英达公司的HR065、富士电机的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驱动与保护功能于一体的集成电路（称为混合驱动模块），其电流检测是利用在某一正向栅压Uge下，正向导通管压降Uce（ON）与集电极电流Ie成正比的特性，通过检测Uce（ON）的大小来判断Ie的大小，产品的可靠性高。
不同型号的混合驱动模块，其输出能力、开关速度与du/dt的承受能力不同，使用时要根
据实际情况恰当选用。
由于混合驱动模块本身的过流保护临界电压动作值是固定的（一般为7～10V），因而存在着一个与IGBT配合的问题。
通常采用的方法是调整串联在IGBT集电极与驱动模块之间的二极管V的个数，如图2（a）所示，使这些二极管的通态压降之和等于或略大于驱动模块过流保护动作电压与IGBT的通态饱和压降Uce（ON）之差。
图2混合驱动模块与IGBT过流保护的配合
上述用改变二极管的个数来调整过流保护动作点的方法，虽然简单实用，但精度不高。
这是因为每个二极管的通态压降为固定值，使得驱动模块与IGBT集电极c之间的电压不能连续可调。
在实际工作中，改进方法有两种：
（1）改变二极管的型号与个数相结合。
例如，IGBT的通态饱和压降为2.65V，驱动模块过流保护临界动作电压值为7.84V时，那么整个二极管上的通态压降之和应为7.84-2.65=5.19V，此时选用7个硅二极管与1个锗二极管串联，其通态压降之和为0.7×
7+0.3×
1=5.20V（硅管视为0.7V，锗管视为0.3V），则能较好地实现配合
（2）二极管与电阻相结合。
由于二极管通态压降的差异性，上述改进方法很难精确设定IGBT过流保护的临界动作电压值如果用电阻取代1～2个二极管，如图2（b），则可做到精确配合。
另外，由于同一桥臂上的两个IGBT的控制信号重叠或开关器件本身延时过长等原因，使上下两个IGBT直通，桥臂短路，此时电流的上升率和浪涌冲击电流都很大，极易损坏IGBT为此，还可以设置桥臂互锁保护，如图3所示。
图中用两个与门对同一桥臂上的两个IGBT的驱动信号进行互锁，使每个IGBT的工作状态都互为另一个IGBT驱动信号可否通过的制约条件，只有在一个IGBT被确认关断后，另一个IGBT才能导通，这样严格防止了臂桥短路引起过流情况的出现。
图3IGBT桥臂直通短路保护
3过压保护
IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然变小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压uce=Ldic/dt，加之IGBT的耐过压能力较差，这样就会使IGBT击穿,因此，其过压保护也是十分重要的。
过压保护可以从以下几个方面进行：
（1）尽可能减少电路中的杂散电感。
作为模块设计制造者来说，要优化模块内部结构（如采用分层电路、缩小有效回路面积等），减少寄生电感；
作为使用者来说，要优化主电路结构（采用分层布线、尽量缩短联接线等），减少杂散电感。
另外，在整个线路上多加一些低阻低感的退耦电容，进一步减少线路电感。
所有这些，对于直接减少IGBT的关断过电压均有较好的效果。
（2）采用吸收回路。
吸收回路的作用是；
当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。
常用的吸收回路有两种，如图4所示。
其中（a）图为充放电吸收回路，（b）图为钳位式吸收回路。
对于电路中元件的选用，在实际工作中，电容c选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2F左右。
电容量选得大一些，对浪涌尖峰电压的抑制好一些，但过大会受到放电时间的限制。
电阻R选用
氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按R≤T/6C计算，T为主电路的开关周期。
二极管V应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。
（3）适当增大栅极电阻Rg。
实践证明，Rg增大，使IGBT的开关速度减慢，能明显减少开关过电压尖峰，但相应的增加了开关损耗，使IGBT发热增多，要配合进行过热保护。
Rg阻值的选择原则是：
在开关损耗不太大的情况下，尽可能选用较大的电阻，实际工作中按Rg=3000/Ic选取。
图4吸收回路
除了上述减少c、e之间的过电压之外，为防止栅极电荷积累、栅源电压出现尖峰损坏IGBT，可在g、e之间设置一些保护元件，电路如图5所示。
电阻R的作用是使栅极积累电荷泄放，其阻值可取4.7kΩ；
两个反向串联的稳压二极管V1、V2。
是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。
图5防栅极电荷积累与栅源电压尖峰的保护
4过热保护
IGBT的损耗功率主要包括开关损耗和导通损耗，前者随开关频率的增高而增大，占整个损耗的主要部分；
后者是IGBT控制的平均电流与电源电压的乘积。
由于IGBT是大功率半导体器件，损耗功率使其发热较多（尤其是Rg选择偏大时），加之IGBT的结温不能超过125℃，不宜长期工作在较高温度下，因此要采取恰当的散热措施进行过热保护。
散热一般是采用散热器（包括普通散热器与热管散热器），并可进行强迫风冷。
散热器的结构设计应满足：
Tj=P△（Rjc+Rcs+Rsa）<
Tjm
式中Tj－IGBT的工作结温
P△－损耗功率
Rjc－结－壳热阻
Rcs－壳－散热器热阻
Rsa－散热器－环境热阻
Tjm－IGBT的最高结温
在实际工作中，我们采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施，并在散热器上安装温度开关。
当温度达到75℃～80℃时，通过SG3525的关闭信号停止PMW发送控制信号，从而使驱动器封锁IGBT的开关输出，并予以关断保护。
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0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。
1IGBT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。
2IGBT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IGBT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的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。
3HCPL-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。
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（RESERT）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；
脚16（VE）输出基准地。
其工作原理如图1所示。
若VIN+正常输入，脚14没有过流信号，且VCC2-VE=12v即输出正向驱动电压正常，驱动信号输出高电平，故障信号和欠压信号输出低电平。
首先3路信号共同输入到JP3，D点低电平，B点也为低电平，50×
DMOS处于关断状态。
此时JP1的输入的4个状态从上至下依次为低、高、低、低，A点高电平，驱动三级达林顿管导通，IGBT也随之开通。
若IGBT出现过流信号（脚14检测到IGBT集电极上电压=7V），而输入驱动信号继续加在脚1，欠压信号为低电平，B点输出低电平，三级达林顿管被关断，1×
DMOS导通，IGBT栅射集之间的电压慢慢放掉，实现慢降栅压。
当VOUT=2V时，即VOUT输出低电平，C点变为低电平，B点为高电平，50×
DMOS导通，IGBT栅射集迅速放电。
故障线上信号通过光耦，再经过RS触发器，Q输出高电平，使输入光耦被封锁。
同理可以分析只欠压的情况和即欠压又过流的情况。
3．2驱动电路设计
驱动电路及参数如图3所示。
HCPL-316J左边的VIN+，FAULT和RESET分别与微机相连。
R7，R8，R9，D5，D6和C12起输入保护作用，防止过高的输入电压损坏IGBT，但是保护电路会产生约1µ
s延时，在开关频率超过100kHz时不适合使用。
Q3最主要起互锁作用，当两路PWM信号（同一桥臂）都为高电平时，Q3导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。
图3中的互锁信号Interlock，和Interlock2分别与另外一个316JInterlock2和Interlock1相连。
R1和C2起到了对故障信号的放大和滤波，当有干扰信号后，能让微机正确接受信息。
在输出端，R5和C7关系到IGBT开通的快慢和开关损耗，增加C7可以明显地减小dic／dt。
首先计算栅极电阻：
其中ION为开通时注入IGBT的栅极电流。
为使IGBT迅速开通，设计，IONMAX值为20A。
输出低电平VOL=2v。
可得
C3是一个非常重要的参数，最主要起充电延时作用。
当系统启动，芯片开始工作时，由于IGBT的集电极C端电压还远远大于7V，若没有C3，则会错误地发出短路故障信号，使输出直接关断。
当芯片正常工作以后，假使集电极电压瞬间升高，之后立刻恢复正常，若没有C3，则也会发出错误的故障信号，使IGBT误关断。
但是，C3的取值过大会使系统反应变慢，而且在饱和情况下，也可能使IGBT在延时时间内就被烧坏，起不到正确的保护作用，C3取值100pF，其延时时间
在集电极检测电路用两个二极管串连，能够提高总体的反向耐压，从而能够提高驱动电压等级，但二极管的反向恢复时间要很小，且每个反向耐压等级要为1000V，一般选取BYV261E，反向恢复时间75ns。
R4和C5的作用是保留HCLP-316J出现过流信号后具有的软关断特性，其原理是C5通过内部MOSFET的放电来实现软关断。
图3中输出电压VOUT经过两个快速三极管推挽输出，使驱动电流最大能达到20A，能够快速驱动1700v、200-300A的IGBT。
3．3驱动电源设计
在驱动设计中，稳定的电源是IGBT能否正常工作的保证。
如图4所示。
电源采用正激变换，抗干扰能力较强，副边不加滤波电感，输入阻抗低，使在重负载情况下电源输出电压仍然比较稳定。
当s开通时，+12v（为比较稳定的电源，精度很高）电压便加到变压器原边和S相连的绕组，通过能量耦合使副边经过整流输出。
当S关断时，通过原边二极管和其相连的绕组把磁芯的能量回馈到电源，实现变压器磁芯的复位。
555定时器接成多谐振荡器，通过对C1的充放电使脚2和脚6的电位在4～8v之间变换，使脚3输出电压方波信号，并用方波信号来控制S的开通和关断。
+12v经过R1，D2给C1充电，其充电时间t1≈R1C2ln2；
放电时间t2=R2C1ln2，充电时输出高电平，放电时输出低电平。
所以占空比=t1／（t1+t2）。
变压器按下述参数进行设计：
原边接+12v，频率为60kHz，工作磁感应强度Bw为O．15T，副边+15v输出2A，-5v输出1A，效率n=80％，窗口填充系数Km为O．5，磁芯填充系数Kc为1，线圈导线电流密度d为3A／mm2。
则输出功率
PT=（15+O．6）×
2×
2+（5+O．6）×
1×
2=64W。
变压器磁芯参数
由于带载后驱动电源输出电压会有所下降，所以，在实际应用中考虑提高频率和占空比来稳定输出电压。
4结语
本文设计了一个可驱动l700v，200～300A的IGBT的驱动电路。
硬件上实现了对两个IGBT（同一桥臂）的互锁，并设计了可以直接给两个IGBT供电的驱动电源。
IGBT模块驱动及保护电路设计
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
IGBT是电压控制型器件，在它的栅极?
发射极间施加十几V的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。
但IGBT的栅极?
发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万pF），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数A的充放电电流，才能满足开通和关断的动
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