1700V,200~300A IGBT的驱动和保护电路设计
0 引言
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
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,本文给出1700V,200~300A IGBT的驱动和保护电路设计。
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 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给 PNP 晶体管提供基极电流,使 IGBT 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使 IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和 MOSFET基本相同,只需控制输入极 N 一沟道FET ,所以具有高输入阻抗特性。当 MOSFET 的沟道形成后,从 P+ 基极注入到 N 一层的空穴(少子),对 N 一层进行电导调制,减小 N 一层的电阻,使 IGBT 在高电压时,也具有低的通态电压。
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。
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。
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。
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。
![](../img/eef/hardware-457593nkjk1nbzmq.jpg)
![](../img/eef/hardware-45760v511kq1mjsj.jpg)
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
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