電力電子應(yīng)用技術(shù)_第十講驅(qū)動及保護(hù)

1、第第10講講 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)驅(qū)動與保護(hù)技術(shù) 驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路概述 晶閘管與晶閘管與IGCT驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) MOSFET與與IGBT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)應(yīng)用驅(qū)動電路設(shè)計(jì)應(yīng)用 半導(dǎo)體器件應(yīng)用中的保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件應(yīng)用中的保護(hù)技術(shù)驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路概述 驅(qū)動電路是連系控制信號與功率信號的橋驅(qū)動電路是連系控制信號與功率信號的橋梁，是控制電路與主電路的接口。要充分發(fā)揮梁，是控制電路與主電路的接口。要充分發(fā)揮功率器件的優(yōu)良性能，就必須了解驅(qū)動電路的功率器件的優(yōu)良性能，就必須了解驅(qū)動電路的特點(diǎn)。特點(diǎn)。 驅(qū)動電路與功率器件一起工作，成為弱電驅(qū)動電路與功率器件一起工作，成為弱電控制強(qiáng)

2、電的關(guān)鍵?？刂茝?qiáng)電的關(guān)鍵。 一般驅(qū)動電路的特點(diǎn)：一般驅(qū)動電路的特點(diǎn)： 電氣隔離電氣隔離 驅(qū)動功率驅(qū)動功率 檢測保護(hù)檢測保護(hù) 故障反饋故障反饋1. 集成度與可靠性集成度與可靠性驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路概述常用的驅(qū)動電路實(shí)物展示：常用的驅(qū)動電路實(shí)物展示： 驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路與功率器件連接展示：驅(qū)動電路與功率器件連接展示： 驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路基本原理：驅(qū)動電路基本原理：按照控制信號到功率器件門控極的按照控制信號到功率器件門控極的連接連接方式方式分為直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動分為直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動驅(qū)動電路概述驅(qū)動電路概述直接驅(qū)動法光電耦合隔離驅(qū)動方式變壓器隔離驅(qū)動方式驅(qū)動電路概述驅(qū)動電

3、路概述晶閘管與晶閘管與IGCT同屬于閘流管類；同屬于閘流管類；IGBT和和MOSFET屬于晶體管類。屬于晶體管類。 晶閘管與晶閘管與IGCT驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) 晶閘管驅(qū)動晶閘管驅(qū)動門極觸發(fā)電路要求：門極觸發(fā)電路要求： 保證脈沖寬度保證脈沖寬度 保證脈沖幅度和陡度保證脈沖幅度和陡度 保證脈沖功率保證脈沖功率 晶閘管與晶閘管與IGCT驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)MOS與與IGBT是門控電壓型器件，工作頻率是門控電壓型器件，工作頻率相對較高。驅(qū)動電路功率要求較低，頻率要相對較高。驅(qū)動電路功率要求較低，頻率要求較高。求較高。對于小功率低壓的對于小功率低壓的MOSFET，一般可以直接，一般可以直接驅(qū)動或者通過帶自舉電

4、路的供電方式進(jìn)行電驅(qū)動或者通過帶自舉電路的供電方式進(jìn)行電壓隔離工作壓隔離工作對于中大功率高壓對于中大功率高壓IGBT，一般采用電磁或，一般采用電磁或光電隔離的驅(qū)動方式工作光電隔離的驅(qū)動方式工作 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)MOSFET驅(qū)動電路要求：驅(qū)動電路要求：開關(guān)管開通瞬時(shí)開關(guān)管開通瞬時(shí), 提供足夠大電流使提供足夠大電流使MOSFET柵源極柵源極電壓迅速上升電壓迅速上升,保證開關(guān)管快速開通且不存在上升沿高保證開關(guān)管快速開通且不存在上升沿高頻振蕩頻振蕩; 開關(guān)管導(dǎo)通期間保證開關(guān)管導(dǎo)通期間保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定柵源極間電壓保持穩(wěn)定關(guān)斷瞬間能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供關(guān)

5、斷瞬間能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開關(guān)管能快速關(guān)斷保證開關(guān)管能快速關(guān)斷 1.關(guān)斷期間驅(qū)動電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到關(guān)斷期間驅(qū)動電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)MOSFET驅(qū)動驅(qū)動常用的常用的MOS驅(qū)動器：驅(qū)動器：IR2110 自舉隔離自舉隔離IXDD404 相同兩路相同兩路TC428 互補(bǔ)兩路互補(bǔ)兩路 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)IR2110典型連接電路典型連接電路基本原理框圖基本原理框圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)I

6、XDD404原理框圖原理框圖短路試驗(yàn)連接圖短路試驗(yàn)連接圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)TC428基本原理框圖基本原理框圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) IGBT驅(qū)動電路要求：驅(qū)動電路要求： 采用采用正負(fù)值正負(fù)值驅(qū)動電壓向柵源極供電，保證驅(qū)動電壓向柵源極供電，保證開關(guān)管可靠開通和關(guān)斷。開關(guān)管可靠開通和關(guān)斷。 降低驅(qū)動電路阻抗，以提高柵極充電放電降低驅(qū)動電路阻抗，以提高柵極充電放電速度，從而提高逆變主回路和控制電路的速度，從而提高逆變主回路和控制電路的開關(guān)速度。開關(guān)速度。1. 保證主電路與控制電路隔離。具有較強(qiáng)的保證主電路與控制電路隔離。具有較強(qiáng)的抗干擾能力?？垢蓴_能力。

7、IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) 常用常用IGBT驅(qū)動器驅(qū)動器 M57962L 、EXB841 單路驅(qū)動厚膜電路單路驅(qū)動厚膜電路2. 2SD315、SKHI22AH4兩路驅(qū)動集成模塊兩路驅(qū)動集成模塊3. 6SD312、 SKHI61 六路驅(qū)動集成模塊六路驅(qū)動集成模塊 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)厚膜驅(qū)動電路厚膜驅(qū)動電路 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)M57962L原理圖原理圖 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)集成驅(qū)動模塊集成驅(qū)動模塊2SD315原理框圖原理框圖SKHI22A IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)

8、6SD312 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) IGBT(MOSFET)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)實(shí)例驅(qū)動電路設(shè)計(jì)實(shí)例 在開始設(shè)計(jì)之前全面了解所選器件的參數(shù)在開始設(shè)計(jì)之前全面了解所選器件的參數(shù) 在線路設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì)在線路設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì),保證器保證器件工作在安全工作區(qū)件工作在安全工作區(qū) 1. 盡量縮短開關(guān)時(shí)間，將開關(guān)損耗降到最低盡量縮短開關(guān)時(shí)間，將開關(guān)損耗降到最低 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)STEP1. 器件選型器件選型3.3 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)CrssCissCoss 除了了解器件的耐壓電流等容量參數(shù)，還需特別注意寄生電容和引線電感對開關(guān)波形的影響

9、Ciss=Cgs+CgdCrss=CgdCoss=Cgd+Cds 1、Ciss對驅(qū)動電路影響最大2、Coss對輸出電壓的波形有影響。3、Crss使得漏極的電壓變化對門極產(chǎn)生影響。STEP2.功率損耗計(jì)算功率損耗計(jì)算3.3 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)1、確定輸入電容CINCIN 3-5 CISS2、輸入電容儲存能量WW = CIN V23、驅(qū)動器件所需功率PP = fc CIN V2或者 P = fc Q V4、確定門極輸入電流IGIG V / RG設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻率5khz，200A電流耐量的電流耐量的IGBT驅(qū)動電路。（驅(qū)動電路。（BSM200GB120DN2)

10、IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)1、CIN 3-5 CISS 5 13 nF,= 65nF 2、P = fc CIN V2 = 5k 65n 900 = 0.2925W3、IG V / RG= 30/4.7=6.4A4、設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動電壓為+15V，考慮驅(qū)動電路的自身損耗，驅(qū)動功率加上0.5-1w的余量STEP3. 具體電路設(shè)計(jì)具體電路設(shè)計(jì) IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù)常用門極連接電路圖具體設(shè)計(jì)考慮的問題：具體設(shè)計(jì)考慮的問題：1、獨(dú)立電源供電、獨(dú)立電源供電2、開通關(guān)段過程時(shí)間、開通關(guān)段過程時(shí)間3、門極脈沖整形、門極脈沖整形 IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) IGB

11、T動態(tài)性能與門極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)有動態(tài)性能與門極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)有關(guān)的問題：關(guān)的問題：主器件的開關(guān)損耗主器件的開關(guān)損耗二極管恢復(fù)的影響（開關(guān)損耗、電壓瞬變、電路二極管恢復(fù)的影響（開關(guān)損耗、電壓瞬變、電路噪聲）噪聲）直流環(huán)節(jié)電感與電壓瞬變直流環(huán)節(jié)電感與電壓瞬變短路保護(hù)電路短路保護(hù)電路1.關(guān)斷狀態(tài)的關(guān)斷狀態(tài)的dv/dt保護(hù)保護(hù) IGBT(MOSFET)驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動技術(shù) 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)功率半導(dǎo)體器件損壞的主要原因：功率半導(dǎo)體器件損壞的主要原因：過壓過壓過流過流過熱過熱1.超結(jié)構(gòu)應(yīng)力超結(jié)構(gòu)應(yīng)力過壓保護(hù)過壓保護(hù)（1）防止驅(qū)動電壓過壓造成門極損壞）防止驅(qū)動電壓過壓造成門極損壞避免門極與漏極間

12、的阻抗太高，這樣可能由于干避免門極與漏極間的阻抗太高，這樣可能由于干擾或者擾或者dv/dt引起門極擊穿而損壞器件。引起門極擊穿而損壞器件。 適當(dāng)降低門極阻抗，在門極與漏極間并接適當(dāng)降低門極阻抗，在門極與漏極間并接15-20V的穩(wěn)壓管。的穩(wěn)壓管。 存儲和使用過程中避免門極開路。存儲和使用過程中避免門極開路。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)防止靜電擊穿防止靜電擊穿對于絕緣柵極器件，很容易發(fā)生靜電擊穿。在對于絕緣柵極器件，很容易發(fā)生靜電擊穿。在使用和存儲時(shí)要格外注意保護(hù)。使用和存儲時(shí)要格外注意保護(hù)。用靜電包裝袋存儲用靜電包裝袋存儲接入電路前工作臺要良好接地接入電路前工作臺要良好接地測試時(shí)，測量

13、儀器良好接地測試時(shí)，測量儀器良好接地1.防止偶然性振蕩損壞器件防止偶然性振蕩損壞器件 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)（2）防止主電路過壓造成門極損壞）防止主電路過壓造成門極損壞首先保證器件的容量符合所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在有效首先保證器件的容量符合所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，在有效成本控制的情況下，留出足夠的電壓余量。成本控制的情況下，留出足夠的電壓余量。要注意器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的要注意器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的di/dt導(dǎo)致的尖峰電壓，導(dǎo)致的尖峰電壓，可以采取穩(wěn)壓管箝位、加緩沖電路等方法抑制?？梢圆扇》€(wěn)壓管箝位、加緩沖電路等方法抑制。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)2.過流保護(hù)過流保護(hù)負(fù)載的突然變化會產(chǎn)生很高的沖擊

14、電流，必須通負(fù)載的突然變化會產(chǎn)生很高的沖擊電流，必須通過電流傳感器檢測或者飽和壓降檢測來確定過流過電流傳感器檢測或者飽和壓降檢測來確定過流的范圍并且實(shí)現(xiàn)保護(hù)。的范圍并且實(shí)現(xiàn)保護(hù)。傳感器檢測是對于系統(tǒng)來說的保護(hù)，防止因?yàn)檫^傳感器檢測是對于系統(tǒng)來說的保護(hù)，防止因?yàn)檫^流損壞器件后又損壞其他的設(shè)備。流損壞器件后又損壞其他的設(shè)備。飽和壓降檢測才是能夠?qū)ζ骷鸬奖Ｗo(hù)的檢測方飽和壓降檢測才是能夠?qū)ζ骷鸬奖Ｗo(hù)的檢測方法。法。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)3.過熱保護(hù)過熱保護(hù)由于半導(dǎo)體器件工作性能受節(jié)溫的影響非常大，由于半導(dǎo)體器件工作性能受節(jié)溫的影響非常大，必須保證器件的工作溫度不超過允許節(jié)溫。必須保證器件的工作溫度不超過允許節(jié)溫。器件的工作損耗會導(dǎo)致溫度升高，環(huán)境的溫度也器件的工作損耗會導(dǎo)致溫度升高，環(huán)境的溫度也能引起節(jié)溫變化，器件在工作時(shí)必須保證很好的能引起節(jié)溫變化，器件在工作時(shí)必須保證很好的散熱。散熱。 半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)半導(dǎo)體器件保護(hù)技術(shù)總結(jié)總結(jié)功率半導(dǎo)體器件