IGBT驅(qū)動電路原理及保護電路

1、IGBT驅(qū)動電路原理及保護電路個人收集整理，勿做商業(yè)用途作者:日期:驅(qū)動電路的作用是將單片機輸出的脈沖進行功率放大，以驅(qū)動IGBT.保證IGBT 的可靠工作，驅(qū)動電路起著至關(guān)重要的作用，對IGBT驅(qū)動電路的基本要求如下：提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開通和關(guān)斷。(2) 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時 電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導(dǎo) 通。(3) 盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率。(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣。(5) 具有靈敏的過流保護能力。第一種驅(qū)動電路 EXB841/840EXB841工作原理如圖1,當EXB841的14腳和1

2、5腳有10mA的電流流過1us 以后IGBT正常開通，VCE下降至3V左右，6腳電壓被鉗制在8V左右，由 于 VS1穩(wěn)壓值是13V,所以不會被擊穿，V3不導(dǎo)通，E點的電位約為20V,二極管 VD,截止，不影響V4和V5正常工作。當14腳和15腳無電流流過，則 V1和V2導(dǎo)通，V2的導(dǎo)通使V4截止、V5 導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，引腳3電位下降至0V,是IGBT柵一 射 間承受5V左右的負偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時VCE的迅速上升使引腳6懸 空” .C的放電使得B點電位為0V,則V S1仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電 路不動作，IGBT 正常關(guān)斷。如有過流發(fā)生，IGBT的V CE過大使得VD

3、2截止，使得VS1擊穿，V3導(dǎo)通， C4通過R7放電，D點電位下降，從而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低， 完成慢關(guān)斷，實現(xiàn)對IGBT的保護。由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，EXB841 判定過電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE有關(guān)，還和二極 管VD2的導(dǎo)通電壓Vd有關(guān)。典型接線方法如圖2,使用時注意如下幾點：a IGBT柵-射極驅(qū)動回路往返接線不能太長（一般應(yīng)該小于1m）,并且應(yīng)該 采用雙絞線接法，防止干擾。b、由于IGBT集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG 有利于其安全工作。但是柵極電阻RG不能太大也不能太小，如果RG增大，則 開通關(guān)斷時間延

4、長，使得開通能耗增加；相反，如果RG太小，則使得di/dt增加， 容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。c、圖中電容C用來吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化，并不是 電源 的供電濾波電容，一般取值為47 F.d、6腳過電流保護取樣信號連接端，通過 快恢復(fù)二極管接IGBT集電極。e、 14、15接驅(qū)動信號，一般14腳接脈沖形成部分的地，15腳接輸入信號 的正端，15端的輸入電流一般應(yīng)該小于20mA，故在15腳前加限流 電阻。f、為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通，在柵射極加穩(wěn)壓二極管。12ERA34-10第二種M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路采用雙電源(+15V,-10V)

5、供電，輸出負偏壓 為-10V,輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短路/過載保護和封閉性短路保護 功能，同時具有延時保護特性。其分別適合于驅(qū)動1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A 及其以下的 IGBT.M57959L/M57962L 在驅(qū)動中小功 率的IGBT時，驅(qū)動效果和各項性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當其工作在高頻下時，其脈沖 前后沿變的較差，即信 號的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內(nèi)部采用印刷電路 板設(shè)計，散熱不是很好，容易因過熱造成內(nèi)部器件的燒毀。日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅(qū)動芯片它可以作為 600V/200A或 者1200V/100A的

6、IGBT驅(qū)動。其最高 頻率也達40KHz,采用雙電源 供電(+15V 和-15V)輸出電流峰值為 吃A,M57959L有以下特點： 采用光耦實現(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHZ左右的高頻開關(guān)運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側(cè)。(2) 如果采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，輸出負柵壓比較高，電源電壓的極限值為 +18V/-15V, 般取 +15V/-10V.(3) 信號傳輸延遲時間短，低電平-高電平的傳輸延時以及高電平-低電平的傳 輸延時時間都在1.5卩以下。 具有過流保護功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT 是否過流，一旦過流，M57962L就會將對

7、IGBT實施軟關(guān)斷，并輸出過 流故障 信號。（5） M57959的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，這一電路的驅(qū)動部分與EXB系列相仿，但 是過流保護方面有所不同。過流檢測仍采用電壓采樣，電路特 點是采用柵壓緩 降，實現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷，避免了關(guān)斷中過電壓和大電流沖擊；另外，在關(guān)斷過程中，輸入控制信號的狀 態(tài)失去作用，既保護關(guān) 斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當保護開始時，立即送出故 障信號，目的是切斷控制信號，包括電路中其它有源器件。第三種2SD315A集成驅(qū)動模塊集成驅(qū)動模塊采用+15V單電源供電，內(nèi)部集成有過流保護電路，其最大的特 點是具有安全性、智能性與易用性。2SD315A能輸出很大的峰 值電流（最大瞬時 輸

8、出電流可達±5A），具有很強的驅(qū)動能力和很高的隔離電壓能力 （4000V）。 2SD315A具有兩個驅(qū)動輸出通道，適合于驅(qū) 動等級為1200V/1700V極其以上的 兩個單管或一個半橋式的雙單元大功率IGBT模塊。其中在作為半橋驅(qū)動器使用 的時候，可以很方便地 設(shè)置死區(qū)時間。2SD315A內(nèi)部主要有三大功能模塊構(gòu)成，分別是 LDI（Log IC To Driver In terface, 邏輯驅(qū)動轉(zhuǎn)換接口）、IGD（Intelligent Gate Driver,智能門極驅(qū)動）和輸入與輸出相 互絕緣的DC/DC轉(zhuǎn)換器。當外部輸入PWM信號后，由LDI進行編碼處理，為 保證信號不受外界

9、條件的 干擾，處理過的信號在進入IGD前需用高頻隔離變壓 器進行電氣隔離。從隔離變壓器另一側(cè)接收到的信號首先在 IGD單元進行解碼， 并把 解碼后的PWM信號進行放大（±5V/±5A）以驅(qū)動外接大功率IGBT.當智能 門極驅(qū)動單元IGD內(nèi)的過流和短路保護 電路檢測到IGBT發(fā)生過流和短路故障 時，由封鎖時間邏輯電路和狀態(tài)確認電路產(chǎn)生相應(yīng)的 響應(yīng)時間和封鎖時間，并把 此時的狀態(tài)信號進行編碼送到邏輯控制單元LDI丄DI單元對傳送來的IGBT工作狀態(tài)信號進行解碼處理，使之在控制回路中得以處理。為防止2SD315A的兩路輸出驅(qū)動信號相互干擾，由DC/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的 電源供

10、電。LDIVDCIGDIGDGNDyPWM 振蕩器驅(qū)動葷元SCALE驅(qū)動器模塊2SD315使用時注意事項:a工作模式驅(qū)動模塊的模式選擇端 MOD外接+15V電源,輸入引腳RC1和RC2接地，為 直接工作模式。邏輯控制 電平采用+15V,信號輸入管腳InA、InB連 接在一起接 收來自單片機的 脈沖信號。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳輸出通道的工作 狀態(tài)。當MOD接地時，MOD接地。通常半橋模式都是驅(qū)動一個直流母線上的 一個橋臂，為 避免上下橋臂直通必須設(shè)置死區(qū)時間， 在死區(qū)時間里兩個 管子同 時關(guān)斷。因此，RC 1, RC2端子必須根據(jù)要求外接RC網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生死區(qū)時間，死 區(qū)時間一般可以

11、從100n,到幾個ms圖中所示的RC 1, RC2分別連接IOk.的電阻和 1OOpF的電容，這樣產(chǎn)生的死區(qū)時間大約是 500ns.b、端口 VL/Reset這個端子是用來定義具有施密特性質(zhì)的輸入InA和InB的，使得輸入在2/3VL時開通，在I/3 VL時作為關(guān)斷信號。當PWM信號是TTL電平時，該端子連接 如圖3-5所示，當輸入InA和InB信號為15V的時候，該端子應(yīng)該通過一個大 約1K左右的電阻連接到+15V電源上，這樣開啟和關(guān) 斷電壓分別應(yīng)該是lov 和5V.另外，輸入UL/Reset端還有另外的功能：如果其接地，則邏輯驅(qū)動接口單 元l.DI001內(nèi)的錯誤信息被清除。C、門極輸出端門

12、極輸出Gx端子接電力半導(dǎo)體的門極，當SCALE驅(qū)動器用15V供電的時候, 門極輸出土 15V.負的門極電壓由驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生。使用如圖 3-6結(jié)構(gòu)的電路可 以實現(xiàn)開通和關(guān)斷的速度的不一樣，增加了用戶使用的靈活性。d、布局和布線驅(qū)動器應(yīng)該盡可能近的和功率半導(dǎo)體放在一起， 這樣從驅(qū)動器到電力 晶體管的 引線就會盡可能的短，一般來說驅(qū)動器的連線盡量不要長 過10厘米。同時一般 要求到集電極和發(fā)射極的引線采用絞合線， 還有可以在IGBT的門極和發(fā)射極之 間連接一對齊納 穩(wěn)壓二極管（1518V）來保護IGBT不會被擊穿。Channe24V7VCC(LDI)MODIe I1VL/ResetINBINAcal

13、RthZE2tVCCoPV* inputLDIS02SOIRC1RC2GNDChanne11ClRthl直流母線2SD315A半橋工作模式外圍電路圖驅(qū)動模塊的模式選擇端 MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地，為 直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V,信號輸入管腳InA、InB連 接在一起接 收來自單片機的脈沖信號，進行同步控制。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳外 接三極管和光耦用來向單片機輸出兩輸出通道的工作狀態(tài)，其輸出端結(jié)構(gòu)皆為集電極開路輸出，可以通過外接 上拉電阻以適用于各種電平邏輯。在管腳 SO1、 SO2和電源之間，以及VisoX和LSX之間加發(fā)光二極管進行故障指

14、示。正常情 況下SO1和SO2輸出皆為高電平，上電后D3和D4先亮，延時幾秒后熄滅，同 時D8和D15發(fā)亮。當檢測到故障信號時，SO1和S02的輸出電平被拉低到地，即D3和D4發(fā)亮, 同時D8和D15閃爍。2SD315A是通過監(jiān)測 UCE(sat)來判斷回路是否 短路和過 流，當檢測到一路或兩路發(fā)生過流現(xiàn)象時， 檢測電路會把異常狀態(tài)回饋到驅(qū)動模 塊，驅(qū)動模塊內(nèi)部會產(chǎn)生一個故障信號并將它鎖存，鎖存時間為1s,在這段時間內(nèi)，驅(qū)動模塊不再輸出信號，而是將兩組IGBT及時關(guān)斷予以保護。同時，狀態(tài) 輸出管腳S01和S02的高電平 被拉低，光耦TLP521導(dǎo)通，兩路狀態(tài)信號通過 或門74LS32送給單片機

15、。為防止因關(guān)斷速度太快在IGBT的集電極上產(chǎn)生很高 的反電動勢，在 門極輸出端采用如圖3.11所示的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)開通和關(guān)斷速度 的不同。開通時門極 電阻為3.4 Q,關(guān)斷時電阻為6.8 0,二極管采用快恢 復(fù)型， 這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。這是一張縮略圖，點擊可放大。按住CTRL, 滾動鼠標滾輪可自由縮放IGBT短路失效機理IGBT負載短路下的幾種后果(1) 超過熱極限：半導(dǎo)體的本征溫度極限為 250E，當結(jié)溫超過本征溫度，器 件將喪失阻斷能力，IGBT負載短路時，由于短路電流時結(jié)溫升 高，一旦超過其 熱極限時，門級保護也相應(yīng)失效。(2) 電流擎住效應(yīng)：正常工作電流下，IGBT由于薄層電

16、阻Rs很小，沒有電流 擎住現(xiàn)象，但在短路狀態(tài)下，由于短路電流很大，當Rs上的壓降 高于0.7V時, 使J1正偏，產(chǎn)生電流擎住，門級便失去電壓控制。(3) 關(guān)斷過電壓：為了抑制短路電流，當故障發(fā)生時，控制電路立即撤去正門 級電壓，將IGBT關(guān)斷，短路電流相應(yīng)下降。由于短路電流大，因此，關(guān)斷中電流下降率很高，在布線電感中將感生很高的電壓，尤其是在器件內(nèi)封裝引線 電 感上的這種感應(yīng)電壓很難抑制，它將使器件有過電流變?yōu)殛P(guān)斷過電壓而失效IGBT過流保護方法(1)減壓法：是指在故障出現(xiàn)時，降低門級電壓。由于短路電流比例于外加正 門級電壓Ug1,因此在故障時，可將正門級電壓降低。 切斷脈沖方法：由于在過流時

17、，Uce電壓升高，我們利用檢測集電極電壓 的方法來判斷是否過流，如果過流，就切斷觸發(fā)脈沖。同時盡量采用軟關(guān)斷方式，緩解短路電流的下降率，避免產(chǎn)生過電壓造成對IGBT的損壞。單端式RCD關(guān)斷緩沖吸收電路個人收集整理，勿做商業(yè)用途在開關(guān)過程中，如果沒有緩沖吸收電路的保護，器件容易同時承受高電壓大電流，造成 結(jié)溫度上升，容易損壞。PN町單罐式RCD電路在開關(guān)過程中，如果沒石緩沖吸收電路的保護，器件客鶴同時祇受崙電壓利1人電流.造 嵐器件屮損耗過人PN結(jié)溫度上升.造戍器件擁壞*牯別在斤斷過丹屮.器件容易受到尖 蜂電壓的沖擊*還盒使器fl被山穿而擁壞*開通緩沖電路主鳴是利用電感來抑制開關(guān)番件中 電流的上

18、升率，線此來馮少丿|艾損耗.由于電賂連線的雜散電感可起到丿I通銀沖的件用.刖 以在下向的41路中我們不區(qū)分雜散堪感和緩沖電臥（H是這 個幵通第沖電猱在器件關(guān)新時會產(chǎn)生痕大的沖擊電壓.所臥 必須配合關(guān)斷緩沖電路用.眾簡單的吳斷緩沖屯蹄是在開關(guān)器件兩端并服-個電 牡 用來抑制器件兩端的電壓變換學(xué)降低尖峰電壓.但足 這樣在器件導(dǎo)通過稈中電容如躋*會產(chǎn)生很大的電涮沖擊， 所以可01與電春申連 個追陽來械小這個電流沖擊，同時卻 乂降低了關(guān)斷煖沖的的效果、歷以我們船衣電隕上辦山 個二極怦，就構(gòu)成了充放電式單瑙RCD緩沖曲略，如眉相應(yīng)的電壓鬼說波形加1下丁當甜件關(guān)斷時電flg經(jīng)過二極管0對電容C充電，電刎）

19、緩沖吸收電路肌&帔班路，使器件K在零點壓下關(guān)斷，出K討通時.C通過電陽&放電.謹仇在黑件K中嚴討仗峰電說。/I： t/fX周期內(nèi)電畀匚充放Hlg 電容匚上的最全部消耗在電阻&上,撕以這種電器的擁耗正比丁開關(guān)賴率因而限 制了它的應(yīng)用>J rmt RCD緩沖電路的損耗.人幻蝠出了ffiftJt RCD緩沖電路和無損緩沖電路.Jt申無播緩沖電躋在第.部好中牡山対如ERCD緩沖電路；希位式RCD緩沖電路與充放電A RCD電路的不同之處在于電阻R貢按按在了電源上.這樣電客C_L的電IK- 11為電源電壓.關(guān)斷時*苗于雜做電期厶的件用.K上的電壓上升'恒是只有當”炳上

20、升到電湄電斥時.0 4導(dǎo)通,雜敵電感E,中的電適對電容G 充 岡時C,上的ffifiil過電阻農(nóng)轉(zhuǎn)卷九電源中.IM時 部分泊耗崔電毗&上.因此該 電珞洶耗的能量比充放電式的消耗要小.采用箱位RCD段收111路后器件認斯過秤中的班壓和電流波形如圖箝位式趾D吸收電路曼在兒時別鮎件天斷*集電扱電壓開耐上專山于境戢曲憊性歷以在集葩蜃電壓丄升過 杜屮電就扯木保持不變"內(nèi)心時劃左強上升到電曲吐壓.計通.雜散電憋心利負譴41 感中的電潦對電容C；充屯。冷時刻K中的屯流衰減到零*負St屯St經(jīng)過二極営D續(xù)淹*由 于吸枚回路也有雜散電感.所以衽耳打期間癥出現(xiàn)小的尖峰電壓在g打期間* L. 中的

21、儲能充向哦收電#CX. ®電壓/住升高.人時剣的橫能全部轉(zhuǎn)移到C；曲 %達判最大值.之晞珂：極管Q#反向恢復(fù)時.由于反向恢婕処建型速消失.導(dǎo)致器件集電極電壓出現(xiàn)凹坑.A時朵散山膊中電流為苓.集電甌11壓乂回御電源電壓“高包瀟電壓的咯妝11爪則疑過電陰&向電源放電.ih*S電感充向電斡上的能星疑&大部分送回電閒，一帥竹沽如*：曲IB J?卜一b）橋臂式RCD電賂橋臂式Snubber電路釘珀不同的功率等級，有不W的形式（對中功率的形式又稱簡化橋 臂式）其KI理如圖|6込人功凈1L中功那*當客量較小時.可以亶接把電容跨接在K?兩羯.如圖sRCD緩沖吸收電踣不能竝行電流韁沖.

22、為了減小器杵丿T通時酣電流上升率*町以在功 t ： I X ；!的陽扱電路串入 卜電感.電和尸| /J析時會造直對器件的過電氐翩 般 在屯感兩端并聯(lián)個電限*在關(guān)斷時為屯感中的電流提供 個【叫垮為了不題響”通緩沖的 作用.可以在電陰上書連-個二極協(xié) 這樣就再到了笈合式帥訕陽電路.1.2.32.毘合式Snubber電爍a)f* ?SiS 合式 Snubbed 11 躋山口合式Snubber也站同時進行電壓繪神利電流緩沖.主要星減小器件開通時的凸/山和 瓷斷時的於#虜.使導(dǎo)麵和対析過程的損耗均有所降低*其原理圖見圖hDr-h2W4 I陷Qf詡立幾匚圖1復(fù)合式Snuhb啟電路電路中* L和R上購成斤關(guān)牙通時怖扈流韁沖