高頻電源模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

摘要：在IGBT的使用過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電路選擇的合理性和設(shè)計(jì)是否正確是影響其推廣使用的問(wèn)題之一。IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt等參數(shù)均與門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)。因此，設(shè)計(jì)合理、性能優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)電路是高頻電源模塊運(yùn)行可靠的保證。本文介紹了驅(qū)動(dòng)器M57962AL的特點(diǎn)以及選用該驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。 敘詞：高頻 驅(qū)動(dòng) 設(shè)計(jì) 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(dòng)電路的基本要求

    一個(gè)理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有以下基本性能：

  (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)電壓脈沖；
    (2)IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級(jí)總處于飽和狀態(tài)，瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)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(dāng)?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(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)電路必需有足夠的輸入輸出電隔離能力且不影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正常傳輸；
    (6)具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿；
    (7)輸入輸出信號(hào)傳輸具有盡可能短的延時(shí)；
    (8)當(dāng)IGBT負(fù)載短路或過(guò)流時(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)軟關(guān)斷；
    (9)當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、短路等情況時(shí)能迅速發(fā)出過(guò)流保護(hù)信號(hào)供給控制電路進(jìn)行處理。

    2、驅(qū)動(dòng)器的選擇

    目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器有日本富士EXB系列、日本英達(dá)HR系列、日本三菱M579系列及美國(guó)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(guó)內(nèi)流行使用的EXB841不具備定時(shí)邏輯柵壓控制的功能，過(guò)流時(shí)若驅(qū)動(dòng)器入口信號(hào)消失，則其出口信號(hào)隨之消失而損壞IGBT，且關(guān)斷負(fù)壓－5V不夠可靠。

    HR065的短路保護(hù)穩(wěn)定，但可靠性差。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，我們選用日本三菱公司的M57962AL驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有如下特點(diǎn):

  (1)采用高速光偶隔離，輸入輸出隔離絕緣強(qiáng)度高 ；
    (2)輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機(jī)控制；   
    (3)內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有廷時(shí)保護(hù)特性；   
    (4)具有可靠通斷措施(采用雙電源供電)；   
    (5)驅(qū)動(dòng)功率大，可以驅(qū)動(dòng)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(hào)，其中9～12為空端。各引腳功能如下：
    1端和2端：故障檢測(cè)輸入端；
    4端：接正電源VCC ；
    5端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端 ；    
    6端：接負(fù)電源VEE ；
    8端：故障信號(hào)輸出 ；
    13端和14端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hù)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(hù)電路圖

    3、 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

    IGBT的驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

圖4  IGBT的驅(qū)動(dòng)電路原理圖

    圖中Q1為由控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入，fault為本驅(qū)動(dòng)電路在檢測(cè)到過(guò)流等故障時(shí)發(fā)出的故障檢測(cè)信號(hào)。C1、G1、E1分別接IGBT的源、柵、漏級(jí)。驅(qū)動(dòng)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(gè)方面的問(wèn)題。

    (1) 穩(wěn)壓管D的合理選擇

    驅(qū)動(dòng)器M57962AL通過(guò)檢測(cè)IGBT的通態(tài)飽和壓降（即1腳的電壓U1）來(lái)判斷是否過(guò)流，當(dāng)檢測(cè)出IGBT的柵極和源極同為高電平時(shí)就判斷為過(guò)流，此時(shí)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓。并通過(guò)光耦向控制電路發(fā)出故障信號(hào)。IGBT正常工作時(shí)的通態(tài)壓降一般為2.5V～3.0V。而M57962AL的過(guò)流檢測(cè)端的閥值電壓Ucs設(shè)計(jì)為10V。如此高的閥值電壓對(duì)諸如橋臂直通、負(fù)載短路等情況有一定的保護(hù)作用。但動(dòng)作非常遲緩，甚至起不到保護(hù)作用。因此必須降低過(guò)流保護(hù)閥值，方法是在檢測(cè)端串聯(lián)一穩(wěn)壓管D2，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。它們之間滿足如下關(guān)系：

    當(dāng)芯片1腳的電壓U1達(dá)到過(guò)流檢測(cè)端的閥值電壓UCS，M57962AL軟降柵壓，同時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。VD2選取越大則允許的VCE越小，IGBT允許流過(guò)的電流值亦越小。在本課題研究中，設(shè)定的管壓保護(hù)值為4.2V，對(duì)應(yīng)的保護(hù)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(dǎo)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(shí)，通態(tài)壓降下降，器件導(dǎo)通損耗減小。但若發(fā)生過(guò)流或短路，正向柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT越易損壞。對(duì)集電極額定電流200A的IGBT來(lái)說(shuō)，VCC選擇+12V～+15V比較合適，在這一點(diǎn)通態(tài)接近飽和值，是IGBT工作的最佳點(diǎn)。而為使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT外加－10V左右的反向柵壓VEE比較合適。實(shí)現(xiàn)電路中考慮到簡(jiǎn)化輔助電源設(shè)計(jì)的因素，采用24V單電源外加9.1V穩(wěn)壓管的方式為驅(qū)動(dòng)電路供電。即：VCC＝＋15V，VEE＝－9V。

    (3)柵極電阻Rg的選取

    柵極驅(qū)動(dòng)電阻的取值非常重要，適當(dāng)數(shù)值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。從安全可靠性角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)取較大的柵電阻，但是，較大的柵電阻影響開(kāi)關(guān)速度、增加開(kāi)關(guān)損耗。從提高工作頻率角度，應(yīng)當(dāng)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(dāng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。本文中經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)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(duì)短路保護(hù)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)用比較靈活。若2腳懸空，短路保護(hù)檢測(cè)時(shí)間為2.6μs，保護(hù)動(dòng)作太靈敏常容易引起誤動(dòng)作。為此，通過(guò)接在2，4腳之間一個(gè)電容Ctrip來(lái)調(diào)節(jié)保護(hù)時(shí)間，選取1000pF左右的電容，保護(hù)時(shí)間大約為3μs。若保護(hù)仍然過(guò)于敏感，可改用3300pF的電容，此時(shí)保護(hù)時(shí)間約為6μs。

    此外，對(duì)于M57962AL驅(qū)動(dòng)電路，在以下兩種情況容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路失去負(fù)偏壓：一是產(chǎn)生負(fù)偏壓的穩(wěn)壓二極管D2被擊穿短路；二是驅(qū)動(dòng)電路在單電源供電時(shí)，因失去電源供電電壓的時(shí)候。此時(shí)若按傳統(tǒng)的M57962AL單電源供電的典型接法(如圖5)，并沒(méi)有保護(hù)信號(hào)給出，易造成IGBT的損壞。

圖5  M57962AL的典型接法

    針對(duì)上述情況，對(duì)M57962AL的外圍電路進(jìn)行了一些改進(jìn)（如圖4所示）。在正常情況下，D4導(dǎo)通，M57962AL的8腳為高電平，D1截止，VT導(dǎo)通，光耦輸出呈低阻態(tài)，故障信號(hào)為低電平，表現(xiàn)為無(wú)故障。過(guò)流保護(hù)時(shí)，D4導(dǎo)通，M57962AL的8腳為低電平，D1導(dǎo)通，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，故障信號(hào)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(hào)。如果驅(qū)動(dòng)電路失去+24V電壓，則光耦無(wú)電流流過(guò)，仍然表現(xiàn)為故障保護(hù)。這樣就避免了IGBT因?yàn)槭ヘ?fù)偏壓或者失去供電而導(dǎo)致?lián)p壞。另外這里為了加快對(duì)故障信號(hào)的反應(yīng)，故障保護(hù)輸出光耦選用高速光耦6N137。

    4  結(jié)語(yǔ)

    性能優(yōu)越的驅(qū)動(dòng)電路是高頻電源模塊運(yùn)行可靠的保證。采用驅(qū)動(dòng)器M57962AL實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，可以使IGBT工作可靠，性能穩(wěn)定。