igbt（isolated gate bipolartransistor），即絕緣柵型雙極性晶體管具有優(yōu)越的低飽和壓降，較高的電壓和較大的電流輸出等特點，在功率電子相關產業(yè)得到更為廣泛的應用和關注。為了使igbt在大功率系統發(fā)揮更穩(wěn)定和安全的性能，需要為其設計專門的驅動器。國外hp、infineon、ir及fuji等都有專用的hvic驅動器。其主要應用于小功率系統，在較大功率應用中，驅動器常用三菱m57系列與富士exb系列的厚?；旌向寗悠鳎?］。但此類驅動器較多不自帶隔離電源，需外部增加隔離電源為其供電，增加了驅動電路復雜性，造成用戶應用不便。本文詳細介紹了一種自帶隔離電源的igbt集成混合型驅動器qp12w05s-37的原理與性能，并給出了應用要點。
2 功能概述
qp12w05s-37是一種自帶隔離電源的混分集成igbt驅動器，具有體積小、隔離電壓高、信號延遲小和驅動功率大等特點。最大應用頻率可達20khz。主要由3個功能塊組成，如圖1所示。第一功能塊是隔離dc/dc變換器，輸出正負雙電源為驅動電路提供電源，其又可分為電源輸入，電源隔離和電源輸出三部分；第二功能模塊是控制信號的隔離驅動放大，輸入驅動控制信號經具有高隔離電壓的光耦隔離后傳輸到驅動放大級，其電氣隔離電壓可達3750vac，控制信號經放大級后輸出驅動igbt。第三功能塊是保護電路，通過檢測igbt欠飽和導通壓降實現過流與短路保護，并輸出故障信號。同時具有軟關斷和延時自恢復功能［2］。
3 工作原理與性能測試
?。?）內置隔離電源
qp12w05s-37驅動器自帶隔離型dc/dc變換器作為驅動電源，采用推挽式變換電路進行電能變換，開關頻率約為500khz，輸出雙路電源電壓作為驅動器輸出部分的供電電源。一路輸出電壓為16v；另一路電壓為-8.9v。每路最大輸出電流為30ma。由于igbt開通與關斷時柵極驅動電流較大，為了保證開通與關斷時的驅動器能提供足夠大的驅動電流，在隔離電源輸出端需加一個內阻較小的電容來保證驅動輸出足夠大的電流要求。考慮到方便用戶連接以及減小emi，電源初級側的地與信號輸入負端在驅動器內并未短接，應用時如有需要，可將其兩個端子在驅動器外部進行連接。內置了隔離驅動電源的驅動器應用于橋式逆變電路中時，只需單路電源給多只igbt驅動器供電即可，并且該驅動電源可以與控制電路電源共用，極大方便了用戶的驅動電路設計。
（2）信號隔離與放大
qp12w05s-37驅動器是采用光耦實現驅動信號的隔離與傳輸，光耦輸入側信號須滿足光耦的發(fā)光二極管導通電流要求，推薦輸入電流為10ma~16ma，在不同的控制信號下需選擇合適的輸入電阻，其計算方法如下式所示：ri為輸入外接限流電阻； vi為控制輸入信號幅值；vli為光耦的導通壓降（此驅動器光耦導通壓降為1.7v）；ii為輸入電流（此驅動器可選擇為10ma～16ma）；150為內接限流電阻值。經過光耦隔離后，驅動信號在次級進行了放大，其柵極驅動輸出峰值電流可達到5a。其波形如圖2所示。
?。?）柵極驅動輸出
qp12w05s-37驅動器柵極驅動輸出峰值電流為5a。驅動功率由驅動信號頻率，igbt的柵極電荷及柵極驅動電壓幅值決定。具體可用以下公式來計算：pg=fsw×qg×ug
其中pg為柵極驅動功率；fsw為應用頻率；qg為柵極電荷； ug為柵極驅動電壓幅值。
驅動輸出峰值電流是由驅動電壓與柵極電阻決定，具體的計算公式如下：
最大驅動峰值電流：
igmax=ug/rgmin
ug=ugon+|ugoff|；
rgmin=rg+rg’
其中ug為柵極電壓幅值；ugon為igbt開通時柵極與發(fā)射極之間的電壓（此驅動器為15v），ugoff為igbt關斷時柵極對發(fā)射極的電壓（本驅動器為－8v）；rgmin為最小柵極電阻，rg為外接柵極電阻值；rg’為igbt柵極內阻及外部線路的阻抗值之和。在實際計算中rg’經?？珊雎圆挥?。
4 過流與短路保護
?。?）短路與過流狀態(tài)檢測
qp12w05s-37驅動器是通過檢測igbt的欠飽和導通壓降的方法來判斷igbt是否發(fā)生過流或短路。當發(fā)生短路后，igbt退出飽和區(qū)，vce增加，當其達到保護閥值電壓vcestat后，保護電路關斷igbt，同時輸出故障信號。工作原理如下圖3所示。[!--empirenews.page--]
?。?）保護盲區(qū)時間調節(jié)
由于igbt導通初期集電極-發(fā)射極電壓vce很高，為了防止短路保護誤動作，必須設計保護盲區(qū)時間。不同的igbt的開通時間不同，所需的盲區(qū)時間也略有差別，因此，此驅動器設計了盲區(qū)時間可調功能，通過外接不同的電容值調節(jié)盲區(qū)時間。為了保證驅動器檢測電路的靈敏度，最大盲區(qū)時間不得超過3.5μs。
（3） 過流或短路保護軟關斷
在短路或過流保護時，為了防止過快地關斷igbt引發(fā)過高的峰值電壓從而損壞igbt。qp12w05s-37驅動器設有保護時緩慢降低柵極電壓的軟關斷功能。為了適應不同功率等級的應用，此驅動器還設有保護軟關斷可調功能。通過調節(jié)軟關斷時間的長短使其在不同功率系統下得到更合適的應用。軟關斷波形如下圖4所示。
由于保護軟關斷時間也直接影響著igbt的關斷損耗，其過長的軟關斷時間會使igbt發(fā)熱過大而損壞，所以在調節(jié)其軟關斷時間時，需在滿足關斷峰值電壓要求的條件下盡可能的使軟關斷時間縮短。
?。?） 故障封鎖與恢復
當發(fā)生短路故障后，保護電路會使驅動器輸出柵極－發(fā)射極電壓反偏，關斷igbt，同時輸出故障信號并封鎖控制信號輸入，持續(xù)時間大約1.4ms。在此封鎖時間段內柵極驅動輸出狀態(tài)將不受輸入信號影響。過了封鎖時間后驅動器將自動恢復至正常初始狀態(tài)，此時如有控制信號輸入時，驅動器將正常輸出。其工作原理如圖5所示。
5 應用注意事項
qp12w05s-37驅動器在應用中要注意以下幾個方面：
（1）為了提高驅動器輸出電壓的穩(wěn)定性，要求在dc/dc輸出端外接低內阻電容，容量根據驅動負載選擇；
?。?）驅動器自帶隔離電源只為此驅動器應用，所以不可以外接其它負載；
?。?）驅動器帶有較多的外部調節(jié)功能，為了保證調節(jié)精度和效果，在需要時外接元件都需盡可能靠近驅動器；
?。?）柵極驅動輸出到igbt柵極電阻之間的引線要盡可能短，最好控制在18cm內。其柵極驅動輸出引線與發(fā)射極輸出引線須用扁平線或雙絞線引出；
?。?）由于驅動器的柵極驅動輸出的開通與關斷采用同一個端子，為了減少關斷時igbt集電極的電壓過沖，可以采用下圖6的連接方法，具有不同的開通柵極電阻和關斷柵極電阻。
?。?）由于igbt模塊會因其柵極-發(fā)射極電壓過高而損壞，可在柵極與發(fā)射極之間加一個雙穩(wěn)壓二極管和10kω的電阻對其進行保護。由于普通igbt模塊柵極-發(fā)射極最高電壓為±20v，所以雙穩(wěn)壓二極管可選為16v~18v。
（7）短路檢測二極管具有反向恢復特性，為了防止igbt集電極高壓引入驅動器，可在故障檢測端加一個30v的穩(wěn)壓二極管到com端來保護驅動器。
6 結束語
qp12w05s-37驅動器具有完善的過流與短路保護功能，驅動功率大，集成度高，可靠性高，特別是內置有dc/dc隔離變換器，用戶無需外接隔離電源，極大地簡化了驅動電路的設計。
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