IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用及原理

# 技术文库 2017-11-15 14:32 来源：中国电力电子产业网

　　通过对功率器件IGBT的工作特性分析、驱动要求和保护方法等讨论，介绍了的一种可驱动高压大功率igbt的集成驱动模块hcpl-3i6j的应用

　　关键词：igbt;驱动保护电路;电源

　　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，200～300a igbt的驱动和保护电路。

　　1 igbt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。

　　2 igbt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。

　　3 hcpl-316j驱动电路

　　3.1 hcpl-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1μs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316j interlock2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75 ns。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1 a，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3 a/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