1、 武 汉 大 学设 计 说 明 书第 1 页 共 8 页一.方案论证绝缘栅双极型晶体管 IGBT(InsulatedG ateB ipolarTransistor)是一种由双极晶体管与 MOSFET 组合的器件，它既具有 MOSFET 的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用。但是，IGBT 的门极驱动电路影响 IGBT 的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及 dine / d t 等参数，决定了 IGBT 的静态与动态特性。因此，在使用 IGBT 时，最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。典型的IGBT
2、栅极驱动电路一个理想的 IGBT 驱动器应具有以下基本性能:(1) 动态驱动能力强,能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当IGBT 在硬开关方式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长,开关损耗越大。器件工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过IGBT 通态损耗,造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IGBT 的开关频率和输出能力,同时对IGBT 的安全工作构成很大威胁。IGBT 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT 的栅源特性呈非线性电容性质,因此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使IGBT 栅源电压建立或消失得足够快,从而使开关损耗降
3、至较低的水平。另一方面,驱动器内阻也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。（2）能向IGBT提供适当的正向栅压。IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下, u GS越高, uDS就越低,器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的工作能力。但是, u GS并非越高越好,一般不允许超过20V ,原因是一旦发生过流或短路,栅压越高,则电流幅值越高, IGBT 损坏的可能性就越大。通常,综合考虑取+ 15V 为宜。武 汉 大 学设 计 说 明 书第 2 页
4、 共 8 页(3) 能向IGBT 提供足够的反向栅压。在IGBT 关断期间,由于电路中其它部分的工作,会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的IGBT 处于微通状态,增加管子的功耗,重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此,最好给应处于截止状态的IGBT 加一反向栅压(幅值一般为515V) ,使IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。(4) 有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中, IGBT 与工频电网有直接电联系,而控制电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器) 中的IGBT 的工作电位差别很大,也不允许控制电路与其直接耦合。因此,驱动器具有电隔离能力可以保证
5、设备的正常工作,同时有利于维修调试人员的人身安全。但是,这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。(5) 具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极限电压一般为20V ,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。(6) 输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后,另一方面能提高保护的快速性。（7） 电路简单,成本低。（8）IGBT 损坏时,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。IGBT 烧毁时,集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路,从而破坏其中的某些元件。由于IGBT 承受过流或短路的能力有限,故IGBT 驱动器还应具有如下功能: (9) 当IGBT 处于负载短路或过流状态
6、时,能在IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流,实现IGBT 的软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过高的d i/ d t 。在杂散电感的作用下,过高的d i/ d t 会产生过高的电压尖峰,使IGBT 承受不住而损坏。同理,驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响,即应具有定时逻辑栅压控制的功能。当出现过流时,无论此时有无输入信号,都应无条件地实现软关断。在各种设备中,二极管的反向恢复、电磁性负载的分布电容及关断吸收电路等都会在IGBT 开通时造成尖峰电流。驱动器应具备抑制这一瞬时过流的能力,在尖峰电流过后,应能恢复正常栅压,保证电路的正常工作。(10) 在出现短
7、路、过流的情况下,能迅速发出过流保护信号,供控制电路进行处理。本次设计采用了EXB系列集成模块。EXB系列芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。武 汉 大 学设 计 说 明 书第 3 页 共 8 页二IGBT驱动电路的原理工作原理如图1所示(图中VIG即为IGBT管，下图同;VIs为光祸ISO1)o图一 工作原理2.1 正常开通过程当EXB841输人端脚14和脚15有10m A的电流流过时，光祸ISO1导通，A点电位迅速下降至0 V,V1和V2截止;V2截止使D点电位上升至20 V,V4导通，V5截止，EXB
8、 841通过V4及栅极电阻Rg向IGBT提供电流使之迅速导通。其端电压下降至导通电压Uces=3V，与此同时，由于截止使电源通过R3向电容C1充电，其时间常数=2.21.1s=2.42s。由于C2充电A点电位上开，因为Dz1的反向击穿电压为13VA到达这一电压所需时间为t1=ln Uc（Uc-Uz1）=2.42sln20（20-13）=2.54s2.2 正常关断过程控制电路使EXB841输人端脚14和脚15无电流流过，光藕ISO1不通，A点电位上升使V1和V2导通;V2导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至OV(相对于EXB841脚1低5
9、 V)，使IGBT可靠关断。2.3 保护动作设IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，武 汉 大 学设 计 说 明 书第 4 页 共 8 页Vzi不被击穿，V3截止，E点电位保持为20 V，二极管Vd6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，Uce上升很多，二极管Vd7截止，则EXB841的脚6“悬空”,B点和C点电位开始由8V上升;当上升至13V时，VZ，被击穿，V3导通，C4通过R，和V3放电，E点电位逐步下降，二极管VU6导通时D点电位也逐步下降，使EXB841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT,B点 和 C点电位由8V上升到
10、13V的时间可用下式求得:式中t=1.3s;1为R3和C2的充电时间常数，C3与 R7 组成的放电时间常数为E点由20V下降到3.6V的时间由下式求得:此时慢关断过程结束，IGBT栅极上所受偏压为OV，这种状态一直持续到控制信号使光藕ISO1截止，IGBT栅极所受偏压由慢关断时的OV迅速下降到一5V ,IGBT完全关断。V1导通C2迅速放电，V3截止，20 V电源通过R9对C4充电，RC充电时间常数为则E点由3.6 V充至19 V的时间可用下式求得:则E点恢复到正常状态需135t ,s至此EXB841恢复到正常状态，可以进行正常的驱动。EXB 系列驱动器的各引脚功能如下：脚1 ：连接用于反向偏
11、置电源的滤波电容器；脚2 ：电源（ 20V ）；脚3 ：驱动输出；脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚5 ：过流保护输出；脚6 ：集电极电压监视；脚7 、8 ：不接；脚9 ：电源；脚10 、11 ：不接；脚14 、15 ：驱动信号输入（-，）；武 汉 大 学设 计 说 明 书第 5 页 共 8 页EXB841输出反向偏压的等效电路(a)RG10 (b)RG110RG对驱动电压与电流影响的波形图三.基于EXB 841驱动电路设计本文基于EXB841设计IGBT的驱动电路如图2所示，图中上半部分是利用EXB841构成的IGBT的驱动电路，下半部分是由
12、NE555定时器构成的以实现对IGBT过流时封锁故障信号的电路。3.1 IGBT驱动电路及故障信号封锁电路设计驱动电路中VZ5起保护作用，避免EXB841的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护胭值从而解决过流保护阀值太高的问题。R1和C1及VZ4接在+20V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，Rge是防止IGBT误导通。针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图2所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小
13、脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EX B8 41软关断保护不可靠的问题，可以在EXB 841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是一5V，可以采用一8V的负偏压(当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制)。图2下半部分所示为故障信号的封锁电路。当IGBT正常工作时EXB841的5脚是高电平，此时光藕6N137截止，其6脚为高电平，从而V1导通，于是电容C6不充电，NE555P的3脚输出为高电平，输人信号被接到15脚，EXB84
14、1正常工作驱武 汉 大 学设 计 说 明 书第 6 页 共 8 页动IGBT.当EXB841检测到过电流时EXB841的5脚变为低电平，于是光藕导通使V1截止，+5V电压经R4和R5对C6充电，R4和R5的总阻值为90k,C6为100 pF，经过5s后NE555P的3脚输出为低电平，通过与门将输人信号封锁。因为，EXB841从检测到IGBT过电流到对其软关断结束要10s，此电路延迟5s，工作是因为EXB 841检测到过电流到EXB841的5脚信号为低电平需要5s，这样经过NE555P定时器延迟5s使IGBT软关断后再停止输人信号，避免立即停止输人信号造成硬关断。同时 ，在 EXB841检测到过
15、流时进行软关断的过程中为了防止外部输人信号撤除从而直接使IGBT硬关断，可从V1的集电极引出一高电平对输人信号进行封锁，从而保证软关断的顺利进行。该电路解决了EXB 841存在的过电流保护无自锁功能这一问题。经过试验发现该电路在正常工作时，可以通过EXB841的3脚发出+15V和一5V电压信号驱动IGBT开通和关断，当IGBT发生过流时该电路能可靠地进行软关断。3.2 IGBT驱动电路优化IGBT应用时还需注意在关断时在源射极间会有较大的电压，此时主回路采用软关断技术，并且在IGBT的源射极间加阻容或其他的吸收缓冲电路。同时在关断IGBT的时候du/dt较武 汉 大 学设 计 说 明 书第 7
16、 页 共 8 页大，会导致IGBT发生擎住效应，因此在关断的时候要增大栅极电阻Rg，这样可以延长关断时间，以减小过电压。电路改进部分如图3所示，在IGBT开通时EXB841的3脚提供+15 V电压，此时，两个电阻并联使Rg值较小，IGBT关断的时候，EXB841提供一5V电压，此时二极管截止，Rg=Rg2，此时Rg值较大，可以增大关断时间，减小过电压。当然R。阻值的增加会加大IGBT的开关损耗，因此要合理选择Rg和Rg2的阻值。四.元件清单EXB841芯片 一块NE555定时器 一个IGBT 一个6N137 一个各种型号电阻，电容若干五.结 论使用EXB 系列驱动器应注意的问题l ）输入与输出
17、电路应分开，即输入电路（光耦合器）接线远离输出电路，以保证有适当的绝缘强度和高的噪音阻抗。2 ）使用时不应超过使用手册中给出的额定参数值。如果按照推荐的运行条件工作， IGBT 工作情况最佳。如果使用过高的驱动电压会损坏IGBT ，而不足的驱动电压又会增加IGBT 的通态压降。过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，而不足的输入电流会增加IGBT 和二极管的开关噪声。3 ） IGBT 的栅、射极回路的接线长度一定要小于lm ，且应使用双绞线。4 ）电路中的电容器C1 和C2 用来平抑因电源接线阻抗引起的供电电压变化，而不是作为电源滤波用。5 ）增大IGBT 的栅极串联电阻Rg ，抑制IGBT
18、集电极产生大的电压尖脉冲。IGBT 的保护问题。因为IGBT 是由MOSFET 和GTR 复合而成的，所以IGBT 的保护可GTR 、MOSFET 保护电路来考虑。主要是栅源过压保护、静电保护、准饱和运行、采用R C 武 汉 大 学设 计 说 明 书第 8 页 共 8 页 VD 缓冲电路等等。这些前面已经讲过，故不再赘述。另外应在IGBT 电控系统中设置过压、欠压、过流和过热保护单元，以保证安全可靠工作。应该指出，必须保证IGBT 不发生擎住效应。具体做法是，实际中IGBT 使用的最大电流不超过其额定电流。六.参考书目电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社，1994电力电子控制元件及其应用 张立 黄两一主编 机械工业出版社，1995现代电力电子器件及其应用 华 伟 主 编 清华大学出版社，2002电力电子技术 黄 家 善 主 编 机械工业出版社，1999张明柱，朱锦洪，梁文林.IGBT保护有效性与EXB 840/84 1的合理应用J.电工技术杂志，2000
