高頻電源模塊驅(qū)動電路設(shè)計

摘要：在IGBT的使用過程中，驅(qū)動電路選擇的合理性和設(shè)計是否正確是影響其推廣使用的問題之一。IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt等參數(shù)均與門極驅(qū)動條件密切相關(guān)。因此，設(shè)計合理、性能優(yōu)越的驅(qū)動電路是高頻電源模塊運行可靠的保證。本文介紹了驅(qū)動器M57962AL的特點以及選用該驅(qū)動器實現(xiàn)的IGBT驅(qū)動電路。 敘詞：高頻 驅(qū)動 設(shè)計 M57962AL Abstract： One of the factors that will affect the wide use of IGBT is whether the choice of the drive circuit is rational and whether its design is right. On-state voltage, on-off timing, switch loss, ability to endure short circuit and dv/dt parameters of IGBT are all closely related to the gate drive condition. Therefore, designing a rational and good-quality drive circuit will guarantee the function of high-frequency power module. This article explains the features of drive M57962AL and presents the IGBT drive circuit using this drive. Keyword：High frequency, Drive, Design, M57962AL
    1、驅(qū)動電路的基本要求

    一個理想的IGBT驅(qū)動電路應(yīng)具有以下基本性能：

  (1)動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動電壓脈沖；
    (2)IGBT導通后，柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)，瞬時過載時，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)而損壞；
    (3)能向IGBT提供適當?shù)恼驏艍?，一般?15V為宜；
    (4)能向IGBT提供足夠的反向柵壓，利于IGBT的快速關(guān)斷，幅值一般為5V-15V；
    (5)由于IGBT多用于高壓場合，驅(qū)動電路必需有足夠的輸入輸出電隔離能力且不影響驅(qū)動信號的正常傳輸；
    (6)具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿；
    (7)輸入輸出信號傳輸具有盡可能短的延時；
    (8)當IGBT負載短路或過流時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)軟關(guān)斷；
    (9)當出現(xiàn)過流、短路等情況時能迅速發(fā)出過流保護信號供給控制電路進行處理。

    2、驅(qū)動器的選擇

    目前，市場上常見的驅(qū)動器有日本富士EXB系列、日本英達HR系列、日本三菱M579系列及美國Unitrode公司的UC系列，它們功能大致相同，但也有許多不同之處。目前國內(nèi)流行使用的EXB841不具備定時邏輯柵壓控制的功能，過流時若驅(qū)動器入口信號消失，則其出口信號隨之消失而損壞IGBT，且關(guān)斷負壓－5V不夠可靠。

    HR065的短路保護穩(wěn)定，但可靠性差。經(jīng)過對比分析，我們選用日本三菱公司的M57962AL驅(qū)動器。該驅(qū)動器具有如下特點:

  (1)采用高速光偶隔離，輸入輸出隔離絕緣強度高 ；
    (2)輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；   
    (3)內(nèi)部有定時邏輯短路保護電路，同時具有廷時保護特性；   
    (4)具有可靠通斷措施(采用雙電源供電)；   
    (5)驅(qū)動功率大，可以驅(qū)動600A/600V或400A/1200V的IGBT模塊。

    M57962AL是厚模單列直插式封裝，如圖1所示，是從左至右依次編號，其中9～12為空端。各引腳功能如下：
    1端和2端：故障檢測輸入端；
    4端：接正電源VCC ；
    5端：驅(qū)動信號輸出端 ；    
    6端：接負電源VEE ；
    8端：故障信號輸出 ；
    13端和14端：驅(qū)動信號輸入端。

圖1  M57962AL芯片的外觀尺寸圖[!--empirenews.page--]

    M57962AL芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部保護電路如圖2和圖3所示。

圖2  M57962AL芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3  M57962AL的內(nèi)部保護電路圖

    3、 驅(qū)動電路的實現(xiàn)

    IGBT的驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖4  IGBT的驅(qū)動電路原理圖

    圖中Q1為由控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號輸入，fault為本驅(qū)動電路在檢測到過流等故障時發(fā)出的故障檢測信號。C1、G1、E1分別接IGBT的源、柵、漏級。驅(qū)動電路的供電采用單電源加穩(wěn)壓管方式，主要考慮了以下幾個方面的問題。

    (1) 穩(wěn)壓管D的合理選擇

    驅(qū)動器M57962AL通過檢測IGBT的通態(tài)飽和壓降（即1腳的電壓U1）來判斷是否過流，當檢測出IGBT的柵極和源極同為高電平時就判斷為過流，此時降低柵極驅(qū)動電壓。并通過光耦向控制電路發(fā)出故障信號。IGBT正常工作時的通態(tài)壓降一般為2.5V～3.0V。而M57962AL的過流檢測端的閥值電壓Ucs設(shè)計為10V。如此高的閥值電壓對諸如橋臂直通、負載短路等情況有一定的保護作用。但動作非常遲緩，甚至起不到保護作用。因此必須降低過流保護閥值，方法是在檢測端串聯(lián)一穩(wěn)壓管D2，通過實驗來確定穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。它們之間滿足如下關(guān)系：

    當芯片1腳的電壓U1達到過流檢測端的閥值電壓UCS，M57962AL軟降柵壓，同時發(fā)出故障信號。VD2選取越大則允許的VCE越小，IGBT允許流過的電流值亦越小。在本課題研究中，設(shè)定的管壓保護值為4.2V，對應(yīng)的保護電流值為300A，所以采用的穩(wěn)壓管D2的壓降為

    (2)VCC、VEE的選取[!--empirenews.page--]

    由于IGBT導通后的管壓降與所加正向柵壓有關(guān)，在漏源電流一定的情況下，正向柵壓增加時，通態(tài)壓降下降，器件導通損耗減小。但若發(fā)生過流或短路，正向柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT越易損壞。對集電極額定電流200A的IGBT來說，VCC選擇+12V～+15V比較合適，在這一點通態(tài)接近飽和值，是IGBT工作的最佳點。而為使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給處于截止狀態(tài)的IGBT外加－10V左右的反向柵壓VEE比較合適。實現(xiàn)電路中考慮到簡化輔助電源設(shè)計的因素，采用24V單電源外加9.1V穩(wěn)壓管的方式為驅(qū)動電路供電。即：VCC＝＋15V，VEE＝－9V。

    (3)柵極電阻Rg的選取

    柵極驅(qū)動電阻的取值非常重要，適當數(shù)值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開關(guān)開通時間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。從安全可靠性角度來說，應(yīng)當取較大的柵電阻，但是，較大的柵電阻影響開關(guān)速度、增加開關(guān)損耗。從提高工作頻率角度，應(yīng)當取較小的柵電阻。一般情況下，可靠性是第一位的，因此使用中傾向于取較大值的電阻。柵極電阻的最佳值應(yīng)當通過實驗確定。本文中經(jīng)過實驗調(diào)試，選擇Rg=4.7Ω。

    (4)電容Ctrip的選取

    M57962AL與M57962L的不同之處就在于，M57962AL利用改變引腳2，4之間的電容Ctrip可以對短路保護檢測時間進行調(diào)整，應(yīng)用比較靈活。若2腳懸空，短路保護檢測時間為2.6μs，保護動作太靈敏常容易引起誤動作。為此，通過接在2，4腳之間一個電容Ctrip來調(diào)節(jié)保護時間，選取1000pF左右的電容，保護時間大約為3μs。若保護仍然過于敏感，可改用3300pF的電容，此時保護時間約為6μs。

    此外，對于M57962AL驅(qū)動電路，在以下兩種情況容易導致驅(qū)動電路失去負偏壓：一是產(chǎn)生負偏壓的穩(wěn)壓二極管D2被擊穿短路；二是驅(qū)動電路在單電源供電時，因失去電源供電電壓的時候。此時若按傳統(tǒng)的M57962AL單電源供電的典型接法(如圖5)，并沒有保護信號給出，易造成IGBT的損壞。

圖5  M57962AL的典型接法

    針對上述情況，對M57962AL的外圍電路進行了一些改進（如圖4所示）。在正常情況下，D4導通，M57962AL的8腳為高電平，D1截止，VT導通，光耦輸出呈低阻態(tài)，故障信號為低電平，表現(xiàn)為無故障。過流保護時，D4導通，M57962AL的8腳為低電平，D1導通，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，故障信號為高電平，表現(xiàn)為有故障發(fā)生。如果穩(wěn)壓二極管D2擊穿短路，則D4截止，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，同樣給出故障信號。如果驅(qū)動電路失去+24V電壓，則光耦無電流流過，仍然表現(xiàn)為故障保護。這樣就避免了IGBT因為失去負偏壓或者失去供電而導致?lián)p壞。另外這里為了加快對故障信號的反應(yīng)，故障保護輸出光耦選用高速光耦6N137。

    4  結(jié)語

    性能優(yōu)越的驅(qū)動電路是高頻電源模塊運行可靠的保證。采用驅(qū)動器M57962AL實現(xiàn)IGBT的驅(qū)動電路，可以使IGBT工作可靠，性能穩(wěn)定。