IGBT模塊的保護(hù)主要由IGBT驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。驅(qū)動(dòng)器是功率主電路與控制電路之間的接口，在充分發(fā)揮IGBT的性能、提高系統(tǒng)可靠性等方面發(fā)揮著重要作用。高性能的驅(qū)動(dòng)器可使IGBT工作在比較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如開(kāi)關(guān)延時(shí)小、開(kāi)關(guān)損耗低等。
IGBT驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)IGBT并對(duì)其整體性能進(jìn)行調(diào)控的裝置，它不僅影響了IGBT 的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)也影響系統(tǒng)的成本和可靠性。驅(qū)動(dòng)器的選擇及輸出功率的計(jì)算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)器功率不足或選擇錯(cuò)誤可能會(huì)直接導(dǎo)致 IGBT 和驅(qū)動(dòng)器損壞。
(1)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) ,能為 IGBT 柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng) IGBT 在硬開(kāi)關(guān)方式下工作時(shí) ,會(huì)在開(kāi)通及關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗。這個(gè)過(guò)程越長(zhǎng) ,開(kāi)關(guān)損耗越大。器件工作頻率較高時(shí) ,開(kāi)關(guān)損耗甚至?xí)蟠蟪^(guò) IGBT 通態(tài)損耗 ,造成管芯溫升較高。
這種情況會(huì)大大限制 IGBT 的開(kāi)關(guān)頻率和輸出能力 ,同時(shí)對(duì) IGBT的安全工作構(gòu)成很大威脅。
IGBT的開(kāi)關(guān)速度與其柵極控制信號(hào)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 ,驅(qū)動(dòng)器須具有足夠的瞬時(shí)電流吞吐能力 ,才能使 IGBT 柵源電壓建立或消失得足夠快 ,從而使開(kāi)關(guān)損耗降至較低的水平。
另一方面 ,驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻也不能過(guò)小 ,以免驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同時(shí) ,過(guò)短的開(kāi)關(guān)時(shí)間也會(huì)造成主回路過(guò)高的電流尖峰 ,這既對(duì)主回路安全不利 ,也容易在控制電路中造成干擾。
IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān) ,在漏源電流一定的情況下 , u 越高 , u 就越低 ,GS DS器件的導(dǎo)通損耗就越小 ,這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是 并非越高越好 一般, uGS ,不允許超過(guò) 原因是一旦發(fā)生過(guò)流或短路20V , ,柵壓越高 則電流幅值越高 損壞的可能, ,IGBT性就越大。通常 ,綜合考慮取 +15V 為宜。
(3) 能向 IGBT 提供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間 ,由于電路中其它部分的工作 ,會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)。這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的 IGBT 處于微通狀態(tài) ,增加管子的功耗 ,重則將使逆變電路處于短路直通狀態(tài)。因此 ,最好給應(yīng)處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓(幅值一般為 5～15V) ,使IGBT在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。
(4)有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設(shè)備中 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系 而,IGBT ,控制電路一般不希望如此。另外許多電路(如橋式逆變器)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。因此 驅(qū)動(dòng),器具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作 ,同時(shí)有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但是 ,這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正常傳輸。
(5) 具有柵壓限幅電路 ,保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為 ±20V ,驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。(6)輸入輸出信號(hào)傳輸無(wú)延時(shí)。這一方面能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后 ,另一方面能提高保護(hù)的快速性。
(8) IGBT損壞時(shí) ,驅(qū)動(dòng)電路中的其它元件不會(huì)隨之損壞。IGBT燒毀時(shí) ,集電極上的高電壓往往會(huì)通過(guò)已被破壞的柵極竄入驅(qū)動(dòng)電路 ,從而破壞其中的某些元件。
由于 IGBT 承受過(guò)流或短路的能力有限 ,故 IGBT驅(qū)動(dòng)器還應(yīng)具有如下功能:
(9)當(dāng) IGBT處于負(fù)載短路或過(guò)流狀態(tài)時(shí) ,能在 IGBT允許時(shí)間內(nèi)通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流 ,實(shí)現(xiàn) IGBT 的軟關(guān)斷。其目的是避免快速關(guān)斷故障電流造成過(guò)高的 di/ dt。
在雜散電感的作用下 ,過(guò)高的 di/ dt 會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰 ,使 IGBT 承受不住而損壞。同理 ,驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過(guò)程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響 ,即應(yīng)具有定時(shí)邏輯柵壓控制的功能。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí) ,無(wú)論此時(shí)有無(wú)輸入信號(hào) ,都應(yīng)無(wú)條件地實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。
在各種設(shè)備中 ,二極管的反向恢復(fù)、電磁性負(fù)載的分布電容及關(guān)斷吸收電路等都會(huì)在IGBT開(kāi)通時(shí)造成尖峰電流。驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具備抑制這一瞬時(shí)過(guò)流的能力 ,在尖峰電流過(guò)后 ,應(yīng)能恢復(fù)正常柵壓 ,保證電路的正常工作。
(10)在出現(xiàn)短路、過(guò)流的情況下 ,能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào) ,供控制電路進(jìn)行處理。
IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的選擇
1 確定IGBT門(mén)極容量
在設(shè)計(jì)和選購(gòu)IGBT 驅(qū)動(dòng)器之前,必須首先知道IGBT 的門(mén)極負(fù)荷Q,這是一個(gè)十分重要的參數(shù),但在IGBT 的技術(shù)參數(shù)中生產(chǎn)廠家一般并不直接給出,而需要我們借助其它參數(shù)得到。IGBT 具有MOSFET 的輸入級(jí),在IGBT的技術(shù)資料中往往有一個(gè)參數(shù)Ciss,一般我們把它叫作輸入電容,該電容的測(cè)試往往是在UGS=0,UOS=25V,f=1MHz 的情況下進(jìn)行,由于密勒效應(yīng), 該值往往比在UGS= O V 時(shí)要小,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),IGBT 的輸入電容一般滿(mǎn)足下面的公式:
Cin≈5Ciss
一般Simens 和 Eupec 公司的IGBT 滿(mǎn)足上述公式。
知道了IGBT 的輸入電容Cin,門(mén)極的負(fù)荷可以由下面公式得到
Q=∫oidt= Cin △ U。
△ U 代表門(mén)極的驅(qū)動(dòng)電壓, 大多數(shù)的IGBT 開(kāi)通電壓+15V,關(guān)斷電壓-5V,因而△U= 2 0 V , 如應(yīng)用十分廣泛的E X B 8 4 1 系列。高電壓、大電流IGBT 往往開(kāi)通關(guān)斷均為15V,因而△ U= 3 0 V 。
2 開(kāi)關(guān)頻率確定
開(kāi)關(guān)頻率的大小不僅影響系統(tǒng)的控制精度,而且影響系統(tǒng)的整體性能,如運(yùn)行效率,噪聲指標(biāo)。開(kāi)關(guān)頻率是所有電力電子變換器的一個(gè)重要參數(shù)。
根據(jù)IGBT 的門(mén)極容量,儲(chǔ)存在IGBT 輸入電容中的能量可以計(jì)算得到
每個(gè)脈沖周期柵極充放電各一次,因而驅(qū)動(dòng)一只IGBT 的功率為:
f 為開(kāi)關(guān)頻率。驅(qū)動(dòng)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 驅(qū)動(dòng)器的平均電流在數(shù)據(jù)文檔可以找到,則IGBT的最大允許開(kāi)關(guān)頻率可以得到: 。
3 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻Rg的選取
IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間是由驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT 的輸入電容的充放電來(lái)控制, 增加門(mén)極輸出電流,IGBT 開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短,開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)降低, Rg主要是用來(lái)限制門(mén)極輸出的降值電流, Rg可由下式確定: Rg = △U / Ipeak
Ipeak一般可以在驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)文檔中找到。有些情況下,充放電峰值電流不同,門(mén)極電阻可以分別選取。
4 IGBT驅(qū)動(dòng)器的比較選擇
4.1 光電耦合和變壓器耦合式比較
光電耦合隔離式采用直流電源,輸出脈沖寬度可調(diào)。通過(guò)檢測(cè)集電極電壓實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。具有使用方便穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是雙側(cè)均采用電源,電路復(fù)雜。比如EXB841驅(qū)動(dòng)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(shí)際使用中設(shè)備承受力不符合其條件,給使用帶來(lái)限制。另外,一旦IGBT 燒壞,驅(qū)動(dòng)器受到損壞給維修帶來(lái)不便且不經(jīng)濟(jì)。
變壓器耦合隔離式不用專(zhuān)設(shè)的電源,線路簡(jiǎn)單, 輸入輸出間耐壓高, 成本低、響應(yīng)快.缺點(diǎn)是IGBT 關(guān)斷期間得不到持續(xù)的反向門(mén)極電壓,抗干擾能力差,且輸出脈沖寬度不可調(diào),不能實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù),并且由于漏感的存在使繞組的繞制工藝復(fù)雜容易出現(xiàn)振蕩。
4.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)器選擇
目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器:光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)器有日本富士EXB841,國(guó)內(nèi)落木源電子KA101,日本英達(dá)HR065等。變壓器隔離式驅(qū)動(dòng)器有美國(guó)Unitrode公司UC3724-3725系列,還有專(zhuān)用的用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上2個(gè)IGBT的美國(guó)IR公司的IR2110及國(guó)內(nèi)落木源電子的KD303，還有德國(guó)西門(mén)子公司的SKH121等。可供選用的范圍很廣,應(yīng)用方便。但使用時(shí)應(yīng)注意過(guò)電流問(wèn)題, 比如EXB841 系列驅(qū)動(dòng)器,采用ERA34-10 型快速二極管, 導(dǎo)通電壓為3V , 反向耐壓采用與IGBT 相同的等級(jí).可以實(shí)現(xiàn)自身過(guò)電流保護(hù),但若IGBT 過(guò)電流對(duì)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(jiǎn)單;②采用電流傳感器進(jìn)行直接限流.上述幾種驅(qū)動(dòng)器由窄脈沖過(guò)電流無(wú)法限制,應(yīng)采用別的措施,在此不一一論述。
IGBT驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)用實(shí)例
為了更好了解IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的選型和應(yīng)用，我們以瑞士新推出的2SC0108T驅(qū)動(dòng)模塊為例子講述IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的特性和功能，
2SC0108T是一款高集成度低成本的超小型SCALE-2雙通道驅(qū)動(dòng)器。接口兼容3.3 V～15 V邏輯電平信號(hào)，柵極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V/-8 V，驅(qū)動(dòng)電流為8 A，單通道輸出功率為1 W，可以驅(qū)動(dòng)600 A/1 200 V或 450 A/1 700 V的常規(guī)IGBT模塊或并聯(lián)IGBT模塊，支持3級(jí)或多級(jí)拓?fù)?。具有短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和電源電壓監(jiān)控等功能。延遲時(shí)間為80 ns±4 ns，抖動(dòng)時(shí)間為± 2ns。
為了使2SC0108T在主回路中的性能達(dá)到最優(yōu)，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍硬件電路，如驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路、IGBT功率驅(qū)動(dòng)電路和故障信號(hào)調(diào)理電路，并集成到IGBT驅(qū)動(dòng)器中。由于IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率較高，容易對(duì)其他模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)造成干擾，而且，驅(qū)動(dòng)信號(hào)線寄生電容和寄生電感對(duì)驅(qū)動(dòng)器的性能、可靠性有重要影響，因此，傳統(tǒng)的安裝模式為驅(qū)動(dòng)器和IGBT模塊獨(dú)立安裝，通過(guò)雙絞線連接以減少寄生電容、寄生電感的影響。
2SC0108T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由三個(gè)功能模塊構(gòu)成，即邏輯驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化接口LDI（Logic-to-Driver Interface）、電氣隔離模塊和智能柵極驅(qū)動(dòng)IGD（Intelligent Gate Driver）。
2SC0108T內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
模塊功能說(shuō)明：
第一個(gè)功能模塊是由輔助電源和信號(hào)輸入兩部分組成。其中信號(hào)輸入部分主要將控制器的PWM信號(hào)進(jìn)行整形放大，并根據(jù)需要進(jìn)行控制，之后傳遞到信號(hào)變壓器，同時(shí)檢測(cè)從信號(hào)變壓器返回的故障信號(hào)，將故障信號(hào)處理后發(fā)送到故障輸出端；輔助電源的功能是將輸入的直流電壓經(jīng)過(guò)單端反激式變換電路，轉(zhuǎn)換成兩路隔離電源供給輸出驅(qū)動(dòng)放大器使用。
第二個(gè)功能模塊是電氣隔離模塊，由兩個(gè)傳遞信號(hào)的脈沖變壓器和傳遞功率的電源變壓器組成。防止功率驅(qū)動(dòng)電路中大電流、高電壓對(duì)一次側(cè)信號(hào)的干擾。
第三個(gè)功能模塊是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊，IGD主要對(duì)信號(hào)變壓器的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和放大，對(duì)IGBT的短路和過(guò)流進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行故障存儲(chǔ)和短路保護(hù)。
