IGBT�(qū)動器是驅(qū)動IGBT并對其整體性能進行�(diào)控的裝置,它不僅影響了IGBT 的動�(tài)性能,同時也影響系統(tǒng)的成本和可靠�。驅(qū)動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導致 IGBT 和驅(qū)動器損壞�
一個理想的 IGBT �(qū)動器應具有以下基本性能:
(1)動態(tài)�(qū)動能力強 ,能為 IGBT 柵極提供具有陡峭前后沿的�(qū)動脈�。當 IGBT 在硬開關(guān)方式下工作時 ,會在開通及�(guān)斷過程中�(chǎn)生較大的開關(guān)損�。這個過程越� ,開關(guān)損耗越�。器件工作頻率較高時 ,開關(guān)損耗甚至會大大超過 IGBT 通態(tài)損� ,造成管芯溫升較高�
這種情況會大大限� IGBT 的開�(guān)頻率和輸出能� ,同時� IGBT的安全工作構(gòu)成很大威��
IGBT的開�(guān)速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關(guān)。IGBT 的柵源特性呈非線性電容性質(zhì) ,因此 ,�(qū)動器須具有足夠的瞬時電流吞吐能力 ,才能� IGBT 柵源電壓建立或消失得足夠� ,從而使開關(guān)損耗降至較低的水平�
另一方面 ,�(qū)動器�(nèi)阻也不能過小 ,以免�(qū)動回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同� ,過短的開�(guān)時間也會造成主回路過高的電流尖峰 ,這既對主回路安全不利 ,也容易在控制電路中造成干擾�
( 2) 能向 IGBT提供適當?shù)恼驏艍?�
IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓有�(guān) ,在漏源電流一定的情況� , u 越高 , u 就越� ,GS DS器件的導通損耗就越小 ,這有利于充分�(fā)揮管子的工作能力。但� 并非越高越好 一�, uGS ,不允許超� 原因是一旦發(fā)生過流或短路20V , ,柵壓越高 則電流幅值越� 損壞的可�, ,IGBT性就越大。通常 ,綜合考慮� +15V 為宜�
(3) 能向 IGBT 提供足夠的反向柵�。在IGBT�(guān)斷期� ,由于電路中其它部分的工作 ,會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信�。這些信號輕則會使本該截止� IGBT 處于微通狀�(tài) ,增加管子的功� ,重則將使逆變電路處于短路直通狀�(tài)。因� ,給應處于截止狀�(tài)的IGBT加一反向柵壓(幅值一般為 5�15V) ,使IGBT在柵極出�(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截歀�
(4)有足夠的輸入輸出電隔離能�。在許多�(shè)備中 與工頻電�(wǎng)有直接電�(lián)� �,IGBT ,控制電路一般不希望如此。另外許多電�(如橋式逆變�)中的 的工作電位差別很大IGBT ,也不允許控制電路與其直接耦合。因� �(qū)�,器具有電隔離能力可以保證�(shè)備的正常工作 ,同時有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但� ,這種電隔離不應影響驅(qū)動信號的正常傳輸�
(5) 具有柵壓限幅電路 ,保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為 ±20V ,�(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵��(6)輸入輸出信號傳輸無延時。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應滯后 ,另一方面能提高保護的快速��
(7)電路簡單 ,成本低�
(8) IGBT損壞� ,�(qū)動電路中的其它元件不會隨之損�。IGBT燒毀� ,集電極上的高電壓往往會通過已被破壞的柵極竄入驅(qū)動電� ,從而破壞其中的某些元件�
由于 IGBT 承受過流或短路的能力有限 ,� IGBT�(qū)動器還應具有如下功能:
(9)� IGBT處于負載短路或過流狀�(tài)� ,能在 IGBT允許時間�(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流 ,實現(xiàn) IGBT 的軟�(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過高� di/ dt�
在雜散電感的作用� ,過高� di/ dt 會產(chǎn)生過高的電壓尖峰 ,� IGBT 承受不住而損壞。同� ,�(qū)動電路的軟關(guān)斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影� ,即應具有定時邏輯柵壓控制的功�。當出現(xiàn)過流� ,無論此時有無輸入信號 ,都應無條件地實現(xiàn)軟關(guān)��
在各種設(shè)備中 ,二極管的反向恢復、電磁性負載的分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會在IGBT開通時造成尖峰電流。驅(qū)動器應具備抑制這一瞬時過流的能� ,在尖峰電流過� ,應能恢復正常柵壓 ,保證電路的正常工作�
(10)在出�(xiàn)短路、過流的情況� ,能迅速發(fā)出過流保護信� ,供控制電路進行處理�
目前 ,� IGBT 使用的驅(qū)動電路形式多種多� ,各自的功能也不盡相同。從綜合的觀點看 ,還沒有一種十全十美的電路�
從電路隔離方式看,IGBT�(qū)動器可分成兩大類,一類采用光電耦合�,另一類采用脈沖變壓器,兩者均可實�(xiàn)信號的傳輸及電路的隔雀�
下面以日本富士公司的 EXB841 �(qū)動器為例 ,簡單說明光電耦合�(qū)動器的工作原�(見圖) 。圖� + 20V�(qū)動電源通過R1 和V5 分為+15V� + 5V兩部�。當來自控制電路的控制脈沖進入光電耦合器V1 � ,放大器使V3 導� ,GBT柵極即得到一� +15V �(qū)動信號并導通。當控制信號消失� ,V4 導� ,此時 IGBT 即得到一� - 5V 的柵源電壓并截止。IGBT在導通期間過流時 ,會脫離飽和狀�(tài) ,此時 , uDS升高�
�(qū)動器�(nèi)的保護電路通過 V6 檢測到這一狀�(tài)� ,一方面� 10μs �(nèi)逐步降低柵壓 ,� IGBT進入軟關(guān)斷狀�(tài) ,另一方面通過光� V2 向控制電路發(fā)出過流信�?! 」怆婑詈向?qū)動器的特點是雙側(cè)都是有源� ,由它提供的正向脈沖及負向封鎖脈沖的寬度可以不受限� ,而且可以較容易地通過檢測 IGBT通態(tài)集電極電壓實�(xiàn)各種情況下的過流及短路保� ,并對外送出過流信號。目前國�(nèi)外都趨向于把這種�(qū)動器做成厚膜電路的形� ,因此具有使用較方� ,一致性及�(wěn)定性較好的�(yōu)點。其不足之處是需要較多的工作電源�
例如 ,全橋式開�(guān)電源一般需要四個工作電� ,從而增加了電路的復雜�。驅(qū)動器中的光電耦合器盡管速度較高 ,但對脈沖信號仍會� 1μs左右的滯后時� ,不適應某些要求較高的場合�
光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流2500V ,這對某些場合是不夠的。例� ,許多逆變焊機的輸出直接反饋到控制電路 ,而國家的有關(guān)標準卻規(guī)定焊機輸入輸出之間應能承受交� 電壓 從而給電路的設(shè)計增加了�4000V ,�。另� 一� 燒壞 �(qū)動器通常也隨�, IGBT ,燒毀 從而增加了維修的復雜性及費用�
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1 確定IGBT門極容�
在設(shè)計和選購IGBT �(qū)動器之前,必須首先知道IGBT 的門極負荷Q,這是一個十分重要的參數(shù),但在IGBT 的技�(shù)參數(shù)中生�(chǎn)廠家一般并不直接給�,而需要我們借助其它參數(shù)得到。IGBT 具有MOSFET 的輸入級,在IGBT的技�(shù)資料中往往有一個參�(shù)Ciss,一般我們把它叫作輸入電�,該電容的測試往往是在UGS=0,UOS=25V,f=1MHz 的情況下進行,由于密勒效應, 該值往往比在UGS= O V 時要�,根據(jù)實踐�(jīng)�,IGBT 的輸入電容一般滿足下面的公式
Cin�5Ciss
一般Simens � Eupec 公司的IGBT 滿足上述公式�
知道了IGBT 的輸入電容Cin,門極的負荷可以由下面公式得�
Q=∫oidt= Cin � U�
� U 代表門極的�(qū)動電�, 大多�(shù)的IGBT 開通電�+15V,�(guān)斷電�-5V,因而△U= 2 0 V , 如應用十分廣泛的E X B 8 4 1 系列。高電壓、大電流IGBT 往往開通關(guān)斷均�15V,因而△ U= 3 0 V �
2 開關(guān)頻率確定
開關(guān)頻率的大小不僅影響系�(tǒng)的控制精�,而且影響系統(tǒng)的整體性能,如運行效�,噪聲指標。開�(guān)頻率是所有電力電子變換器的一個重要參�(shù)�
根據(jù)IGBT 的門極容�,儲存在IGBT 輸入電容中的能量可以計算得到
每個脈沖周期柵極充放電各一�,因而驅(qū)動一只IGBT 的功率為:
f 為開�(guān)頻率。驅(qū)動器的平均輸出電流Iout可以這樣得到:
P=Iout * △U 比較上面兩式Q=Iout / f �(qū)動器的平均電流在�(shù)�(jù)文檔可以找到,則IGBT的允許開�(guān)頻率可以得到: �
3 門極驅(qū)動電阻Rg的選�
IGBT 的開�(guān)時間是由�(qū)動器對IGBT 的輸入電容的充放電來控制, 增加門極輸出電�,IGBT 開通時間和�(guān)斷時間會相應縮短,開關(guān)損耗也會降�, Rg主要是用來限制門極輸出的降值電�, Rg可由下式確定: Rg = △U / Ipeak
Ipeak一般可以在�(qū)動器�(shù)�(jù)文檔中找�。有些情況下,充放電峰值電流不�,門極電阻可以分別選��
4 IGBT�(qū)動器的比較選�
4.1 光電耦合和變壓器耦合式比�
光電耦合隔離式采用直流電�,輸出脈沖寬度可調(diào)。通過檢測集電極電壓實�(xiàn)過電流保�。具有使用方便穩(wěn)定性好的優(yōu)�。缺點是雙側(cè)均采用電�,電路復雜。比如EXB841�(qū)動器,光電耦合器輸入與輸出之間耐壓一般較低為交流2500V,但實際使用中�(shè)備承受力不符合其條件,給使用帶來限�。另�,一旦IGBT 燒壞,�(qū)動器受到損壞給維修帶來不便且不經(jīng)��
變壓器耦合隔離式不用專�(shè)的電�,線路簡單, 輸入輸出間耐壓�, 成本�、響應快.缺點是IGBT �(guān)斷期間得不到持續(xù)的反向門極電�,抗干擾能力差,且輸出脈沖寬度不可調(diào),不能實現(xiàn)過電流保�,并且由于漏感的存在使繞組的繞制工藝復雜容易出�(xiàn)振蕩�
4.2 IGBT �(qū)動器選擇
目前市場上可見的�(qū)動器:光電耦合隔離�(qū)動器有日本富士EXB841,國內(nèi)落木源電子KA101,日本英達HR065等。變壓器隔離式驅(qū)動器有美國Unitrode公司UC3724-3725系列,還有專用的用來驅(qū)動一個橋臂上2個IGBT的美國IR公司的IR2110及國�(nèi)落木源電子的KD303,還有德國西門子公司的SKH121�??晒┻x用的范圍很廣,應用方便。但使用時應注意過電流問�, 比如EXB841 系列�(qū)動器,采用ERA34-10 型快速二極管, 導通電壓為3V , 反向耐壓采用與IGBT 相同的等�.可以實現(xiàn)自身過電流保�,但若IGBT 過電流對其壽命是有影響的。解決辦法是: ①反串穩(wěn)壓管, 限制IGBT 的電流為200A,使工作穩(wěn)定可靠且電路簡單;②采用電流傳感器進行直接限流.上述幾種�(qū)動器由窄脈沖過電流無法限�,應采用別的措�,在此不一一論述�
維庫電子�,電子知�,一查百��
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