IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN404應(yīng)用及改進(jìn)

介紹了IXYS公司大功率IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN404的特點(diǎn)及性能，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)出了一種具有過流保護(hù)及慢關(guān)斷功能的簡(jiǎn)單有效的驅(qū)動(dòng)電路，給出了實(shí)際電路圖和驅(qū)動(dòng)波形。

關(guān)鍵詞：IGBT；驅(qū)動(dòng)與保護(hù)；IXDN404

0    引言

    絕緣柵晶體管IGBT是近年來發(fā)展最快而且很有前途的一種復(fù)合型器件，并以其綜合性能優(yōu)勢(shì)在開關(guān)電源、UPS、逆變器、變頻器、交流伺服系統(tǒng)、DC/DC變換、焊接電源、感應(yīng)加熱裝置、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，在其使用過程中，發(fā)現(xiàn)了不少影響其應(yīng)用的問題，其中之一就是IGBT的門極驅(qū)動(dòng)與保護(hù)。目前國內(nèi)使用較多的有富士公司生產(chǎn)的EXB系列，三菱公司生產(chǎn)的M579系列，MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC33153等驅(qū)動(dòng)電路。這些驅(qū)動(dòng)電路各有特點(diǎn)，均可實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)，但也有其應(yīng)用限制，例如：驅(qū)動(dòng)功率低，延遲時(shí)間長(zhǎng)，保護(hù)電路不完善，應(yīng)用頻率限制等。本文，以IXYS公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN404為基礎(chǔ)，介紹了其特性和參數(shù)，設(shè)計(jì)了實(shí)際驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)和過流及短路時(shí)實(shí)施慢關(guān)斷策略的保護(hù)要求。

1    IXDN404驅(qū)動(dòng)芯片簡(jiǎn)介

    IXDN404為IXYS公司生產(chǎn)的高速CMOS電平IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)器，其特性如下：

    ——高輸出峰值電流可達(dá)到4A；

    ——工作電壓范圍4.5V～25V；

    ——驅(qū)動(dòng)電容1800pF<15ns；

    ——低傳輸延遲時(shí)間；

    ——上升與下降時(shí)間匹配；

    ——輸出高阻抗；

    ——輸入電流低；

    ——每片含有兩路驅(qū)動(dòng)；

    ——輸入可為TTL或CMOS電平。

    其電路原理圖如圖1所示，主要電氣參數(shù)如表1所列。

圖1    IXDN404電路原理圖

表1    IXDN404主要電氣參數(shù)

2    驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用與改進(jìn)

    圖2為IXDN404組成的IGBT實(shí)用驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，該電路可驅(qū)動(dòng)1200V/100A的IGBT，驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲時(shí)間不超過150ns，所以開關(guān)頻率圖2由IXDN404組成的IGBT保護(hù)與驅(qū)動(dòng)電路圖1IXDN404電路原理圖可以高達(dá)100kHz?？蓱?yīng)用于DSP控制的高頻開關(guān)電源、逆變器、變頻器等功率電路中。根據(jù)IXYS公司的使用手冊(cè)，IXDN404僅能提供0～＋Vcc的驅(qū)動(dòng)脈沖。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上，增加5.1V穩(wěn)壓二極管Z3以實(shí)現(xiàn)－5V偏置電壓；由穩(wěn)壓管電壓為光耦6N137和反相器CD4069供電，節(jié)省了一路驅(qū)動(dòng)電源；增加降柵壓及慢關(guān)斷保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)IGBT的保護(hù)功能；降柵壓及慢關(guān)斷電路是通過控制IXDN404供電電壓Vcc來實(shí)現(xiàn)的，明顯不同于其它保護(hù)電路的前級(jí)降壓控制方式。下面介紹其工作原理。

圖2    由IXDN404組成的IGBT保護(hù)與驅(qū)動(dòng)電路  [!--empirenews.page--]

2.1    正常開通過程

    當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，快速光耦6N137導(dǎo)通，經(jīng)過一級(jí)反相，輸入IXDN404，輸出＋15V脈沖，IGBT正常導(dǎo)通。同時(shí)，由于光耦輸出為反相，V4截止，V5導(dǎo)通，C1由電源充電，C1電壓不會(huì)超過9V，這是因?yàn)镮GBT正常導(dǎo)通時(shí)Vces不高于3V，二極管D2導(dǎo)通，A點(diǎn)電位箝位在8V，加上電阻R10的壓降，C點(diǎn)電位接近9V。Z1截止，V2截止，V1導(dǎo)通，B點(diǎn)電位接近20V；Z2截止，V3截止，D點(diǎn)電位接近B點(diǎn)電位。C1充電時(shí)間常數(shù)τ1=R9×C1=2.42μs，C1充電到9V的時(shí)間為

    t1=τ1ln=1.45μs（1）

2.2    正常關(guān)斷過程

    當(dāng)控制信號(hào)為低電平，光耦輸出高電平，反相輸出低電平，由于Z3箝位IXDN404輸出脈沖為－5V，IGBT正常關(guān)斷。這時(shí)，V4導(dǎo)通，V5截止，C點(diǎn)電位保持在9V；Z1截止，V2截止，V1導(dǎo)通，B點(diǎn)電位接近20V；Z2截止，V3截止，D點(diǎn)電位接近B點(diǎn)電位。

2.3    保護(hù)過程

    設(shè)IGBT已經(jīng)導(dǎo)通，各點(diǎn)電位如2.1所說。當(dāng)電路過流時(shí)，IGBT因承受大電流而退出電阻區(qū)，Vces上升，二極管D2截止，A點(diǎn)對(duì)電容C1的箝位作用消失；C點(diǎn)電位從9V上升，同時(shí)Z1反向擊穿，V2導(dǎo)通，V1截止，B點(diǎn)電位由R1和Rc以及IXDN404芯片內(nèi)阻分壓決定，箝位在15V，柵壓降為10V。柵壓的下降可有效地抑制故障電流并增加短路允許時(shí)間。降柵壓運(yùn)行時(shí)間為

    t2=τ1ln=1.09μs（2）

    如果在這段時(shí)間內(nèi)，電路恢復(fù)正常，D2導(dǎo)通，A點(diǎn)繼續(xù)箝位，V2截止，V1導(dǎo)通，電路恢復(fù)2.1所說狀態(tài)。如果D2仍處于斷態(tài)，也就是故障電流仍然存在，C點(diǎn)電壓繼續(xù)上升，經(jīng)過t2時(shí)間上升到13V，Z2反向擊穿，V3導(dǎo)通，電容C2通過電阻R12放電，D點(diǎn)與B點(diǎn)電位同時(shí)下降，IGBT柵壓逐漸下降，實(shí)現(xiàn)慢關(guān)斷過程，避免了正常關(guān)斷大電流時(shí)所引起的過電壓。慢關(guān)斷過程時(shí)間為t3，由C2和R12決定。由IXDN404工作電壓范圍為4.5～25V，τ2=R12×C2=4.84μs，可知

    t3=τ2ln=5.83μs（3）

    另外，在IGBT開通過程中，如果二極管D2不能及時(shí)導(dǎo)通，將造成保護(hù)電路的誤動(dòng)作，因此D2要選擇快速二極管，也可通過適當(dāng)增加Z1穩(wěn)壓值和增大電阻R9以增大C1充電時(shí)間常數(shù)延長(zhǎng)保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)間。但這與保護(hù)動(dòng)作的快速性相矛盾，具體應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際電路要求和功率器件的特性作出折中的選擇。

2.4    幾點(diǎn)說明

    1）為使驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到最大，本電路將兩路輸入輸出并聯(lián)使用，最大驅(qū)動(dòng)峰值電流可達(dá)8A，這個(gè)峰值電流是由電容Cc瞬間放電產(chǎn)生；

    2）光耦6N137輸出為輸入反相，IXDN404為同相輸入輸出，為保證控制邏輯正確，中間需加一級(jí)反相器，也可采用帶反相的IXDI404；

    3）圖2中可在E點(diǎn)處加入一個(gè)光耦，其輸出可作為短路保護(hù)信號(hào)送給控制邏輯，以封鎖本路及其它各路的PWM信號(hào)，確保主電路安全；

    4）IXDN404驅(qū)動(dòng)電路對(duì)脈沖信號(hào)非常敏感，實(shí)際操作時(shí)要保證連線盡量短，輸出要用雙絞線接IGBT，電路所用元器件也可采用貼片式，既縮小驅(qū)動(dòng)電路體積，也提高了工作穩(wěn)定度。

    圖3為實(shí)測(cè)IGBT的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中通道1為輸入控制信號(hào)，通道2為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。所用IGBT為仙童公司HGTG18N120BND。從圖中可以看出驅(qū)動(dòng)電路延遲時(shí)間僅為100ns。其中圖3（d）為模擬IGBT過流時(shí)的保護(hù)波形，首先降柵壓運(yùn)行，然后慢關(guān)斷，最后由于低電壓供電，IXDN404輸出驅(qū)動(dòng)電壓封鎖在－2V左右。

（a）100kHz時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形

（b）100kHz時(shí)的上升過程

（c）100kHz時(shí)的下降過程

（d）20kHz時(shí)保護(hù)波形

圖3    電路實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)波形

3    結(jié)語

    由IXDN404組成的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路可滿足IGBT驅(qū)動(dòng)要求，其特點(diǎn)可歸納如下：

    ——驅(qū)動(dòng)電源＋20V單路供電，驅(qū)動(dòng)?xùn)艍海?5V～－5V；

    ——最大驅(qū)動(dòng)峰值電流可達(dá)8A，滿足大功率IGBT驅(qū)動(dòng)要求；

    ——電路信號(hào)延遲時(shí)間短，工作頻率可以達(dá)到100kHz或者更高，可適應(yīng)大多數(shù)電路需要；

    ——可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)及降柵壓慢關(guān)斷功能；

    ——電路成本相對(duì)較低。

    綜上所述，這種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是一種低成本、高性能的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。