一種適用于大功率IGBT模塊串聯(lián)工作的新型驅動電路

1引言

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展,特別是IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor,絕緣柵雙極晶體管)和MOSFET (Metallic oxide semiconductor field effecttransistor,金屬氧化物半導體場效應晶體管)等高頻自關斷器件應用的日益廣泛,驅動電路的設計就顯得尤為重要。本文介紹了一種以CONCEPT公司的IGD515EI驅動器為主要器件構成的驅動電路,適用于大功率、高耐壓IGBT模塊串、并聯(lián)電路的驅動和保護。通過光纖傳輸驅動及狀態(tài)識別信號,進行高壓隔離傳輸,具有良好的抗電磁干擾性能和高于15A的驅動電流。因此,該電路適用于高壓大功率場合。在隔離的高電位端, IGD515EI內(nèi)部的DC-DC電源模塊只需一路驅動電源就能夠產(chǎn)生柵極驅動所需的±15V電源。器件內(nèi)還包括功率管的過流和短路保護電路,以及信號反饋檢測功能。該電路是一種性能優(yōu)異、成熟的驅動電路。

2IGD515EI在剛管調制器中的應用

雷達發(fā)射機常用的調制器一般有三種類型:軟性開關調制器、剛性開關調制器和浮動板調制器。浮動板調制器一般用于控制極調制的微波電子管,而對于陰調的微波管則只能采用軟性開關調制器和剛性開關調制器。由于軟性開關調制器不易實現(xiàn)脈寬變化,故在陰調微波管發(fā)射機的脈寬要求變化時,發(fā)射機的調制器往往只能采用剛性開關調制器。剛性開關調制器又稱剛管調制器,剛管調制器因其調制開關可受控主動關斷而得名。因此,采用這種調制器發(fā)射機脈寬可實現(xiàn)脈間變化。

IGBT屬于場控功率管,具有開關速度快、管壓降小等特點,在剛管調制器中得到越來越廣泛的應用,但其觸發(fā)電路設計以及單只IGBT有限的電壓和電流能力是其推廣應用的難點。方案采用IGD515EI,加入相應的外圍電路,構成了IGBT驅動電路,通過IGD515EI的34腳(SDSOA)多管聯(lián)用特性端實現(xiàn)兩管串聯(lián)應用,解決了IGBT單管耐壓不高的問題。IGBT驅動電路如圖1所示。驅動信號通過光纖接收器HFBR-2521送給驅動模塊,驅動模塊報故障時通過光纖發(fā)射器HFBR-1521送出故障信號給控制電路,由控制電路切斷所有IGBT驅動電路的驅動信號,各個IGD515EI同時輸出-15V的負偏壓,各個IGBT同時關斷,避免個別器件提前關斷,造成過壓擊穿。

圖1IGBT驅動電路

2. 1IGBT驅動器電源設計

由于IGD515EI只需要單路電源供電,在輸入端的10腳(VCC)和9腳(GND)接入+15V電源,由模塊內(nèi)部通過DC/DC變換產(chǎn)生±15V和+5V輸出,為光纖發(fā)射器、接收器以及輸出電路提供電源。因而對每個處于高電位的驅動電路來說,只需提供一個15V電源即可,便于做到電位隔離。

2. 2IGBT柵極觸發(fā)電路設計

驅動器的25腳(G)輸出的驅動電壓為±12V~±15V,這取決于電源電壓;也可不產(chǎn)生負的柵極電壓,這要由具體的應用和所使用的功率管決定。最大柵極充電電流是±15A,充電電流由外接的柵極電阻限定。如果將25腳G通過電阻直接與IGBT:G相連, IGBT的驅動波形上升沿較大,但IGBT導通后上升較快,如圖2所示;

圖2IGD515EI輸出端不加MOS管時IGBT的驅動波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

如果在25腳與IGBT:G中間串入一只MOS管,進行電流放大,可有效地減小IGBT驅動波形的上升沿,縮短IGBT的導通過程,減小IGBT離散性造成的導通不一致性,減小動態(tài)均壓電路的壓力,但IGBT導通后上升較慢,其波形如圖3所示。

圖3IGD515EI輸出端加MOS管時IGBT的驅動波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

2. 3IGBT過流檢測及保護電路參數(shù)的選擇

(1)響應時間電容和中斷時間電容選擇

功率管,特別是IGBT的導通需要幾個微秒,因此功率管導通后要延遲一段時間才能對其管壓降進行監(jiān)測,以確定IGBT是否過流,這個延遲即為“響應時間”。響應時間電容CME的作用是和內(nèi)部1. 5kΩ上拉電阻構成數(shù)微秒級的延時ta,CME的計算方法如下:

在IGBT導通以后,通過IGD515EI內(nèi)部的檢測電路對19腳的檢測電壓(IGBT的導通壓降)進行檢測。若導通壓降高于設定的門限,則認為IGBT處于過流工作狀態(tài),由IGD515EI的35腳送出IGBT過流故障信號,經(jīng)光纖送給控制電路,將驅動信號封鎖一小段時間。這段時間為截止時間tb,大小由20腳(Cb)與24腳(COM)之間外接的電容Cb確定。對于給定的截止時間,則Cb由下式確定:[!--empirenews.page--]

試驗中,我們選擇Cbmax=470nF,此時截止時間為33. 65ms。需要說明的是,通過調整19腳的外接電阻的阻值,可以調整檢測的門限電平。

2. 4IGBT的串聯(lián)

(1)串聯(lián)IGBT電壓均衡

串聯(lián)IGBT工作的一個重要方面是對由于器件的離散特性與驅動電路的不匹配在器件兩端引起的靜態(tài)和動態(tài)不均衡。

靜態(tài)均衡可以在IGBT的C、E兩端并聯(lián)阻值較大的電阻R4來實現(xiàn),如圖4所示。通過并聯(lián)電阻的分壓,保證在IGBT關斷期間每只IGBT兩端的電壓相等。該電阻必須參考IGBT的漏電流,在此基礎上進行合適的選擇,要使流過分壓電阻的電流比IGBT的最大漏電流大若干倍,同時要注意均壓電阻的阻值不能過分小,以免增加功率損耗。

動態(tài)均壓電路由圖4中的D1、R1、C1組成。在IGBT開始關斷或開始導通時,由于IGBT導通的離散性,必然有個別IGBT提前導通或提前關斷,在遲后導通和提前關斷的IGBT兩端,必然會產(chǎn)生尖峰電壓,在IGBT的兩端通過D1并聯(lián)電容C1,使尖峰電壓必須先對C1充電,這樣IGBT兩端的尖峰電壓的上升速度受到C1的限制,并可由并聯(lián)在每個IGBT兩端的C1分壓,由C1實現(xiàn)對動態(tài)尖峰電壓的均衡。在IGBT導通期間,由于D1的單向導電特性, C1通過R1、IGBT將儲存的電荷放掉,以便吸收IGBT下次關斷時產(chǎn)生的浪涌電壓。選擇R1時要考慮C1的放電時間常數(shù),確定合適的阻值。

圖4IGBT的均壓電路

對于串聯(lián)IGBT來說,其動態(tài)不均壓最為嚴重的情況是由于IGBT導通延遲時間的差異引起的,在動態(tài)均壓效果良好的情況下, IGBT上的電壓變化將受到C1的限制。設每個IGBT能夠承擔的額外的電壓能力為△UIGBT,在串聯(lián)IGBT未完全導通時刻回路中的電流(可用IGBT完全導通時刻回路中的放電電流代替)是I,設該IGBT相對于其它IGBT的導通遲后的時間是△t,則均壓電容C1應滿足下式要求:

C1=I△t/△UIGBT而△UIGBT=VIGBT-UN/n

VIGBT是IGBT的額定工作電壓,UN是串聯(lián)IGBT的工作電壓,n是IGBT的串聯(lián)數(shù)量。根據(jù)上式可求出均壓電容C1,對R1的取值既要保證3R1C1≤脈沖寬度τ,以便在脈內(nèi)使電容C1上的電荷通過R1放完,同時還要使其起到限流作用,即盡量取得大一些。

(2)串聯(lián)IGBT的保護

在多只IGBT串聯(lián)時,將IGD515EI的34腳(SD-SOA)應接入+5V。這樣,即使某個IGBT發(fā)生故障,故障的IGBT也不會提前關斷,而是將故障信號通過光纖送給控制電路,由控制電路關斷所有IGBT的驅動信號,所有的IGBT同時關斷,即使在出現(xiàn)故障的情況下也要保證串聯(lián)IGBT關斷的一致性。

為了防止IGBT柵極過壓,采用如圖1中D1、D2背對背15V穩(wěn)壓管。為了防止IGBT過熱,在IGBT的散熱器上加溫度繼電器。同時,采用互感器檢測通過IGBT的電流,檢測的信號送至比較器與設定的電平值相比較。電流超過設定值時就輸出過流信號,由控制電路關斷IGBT的驅動信號。

2. 5IGD515EI使用的注意事項

(1) 10腳VCC與9腳GND之間的電容量不能比23腳Cs端與24腳COM端之間的電容容量小,并且該電容容量要小于250μF。

(2) IGD驅動器同功率管之間連線應該盡量短,不能超過10cm。連接每個功率管柵極、發(fā)射極,測量腳(漏極,集電極)的引線應采用絞合線。

(3)盡量減小電路的寄生電感。在我們設計的調制器中,將驅動電路和均壓電路設計成印制板,直接安裝在IGBT的管腳上,這樣可減小由于分布電感引起的反電勢過大現(xiàn)象。

(4)光纖發(fā)射端的限流電阻取值要合適,如果限流電阻偏大,光纖發(fā)射電流不夠,次級有毛草,影響模塊的輸出脈沖。

(5)模塊25腳G外接的限流電阻不宜太小(不能小于1Ω),視所驅動的功率管決定。

(6)當給模塊提供+15V電源、無驅動信號時,IGBT的G、E之間是-15V電平。正常工作時, IGBT的G、E之間脈沖如圖5所示。

圖5IGD515EI輸出的IGBT驅動波形

3試驗結果

最初我們使用2只IGBT模塊串聯(lián)作為剛管調制器的放電開關,工作電壓為2kV,前沿<0. 2μs,波形如圖6所示。該調制器連續(xù)工作數(shù)十小時,輸出波形穩(wěn)定可靠,證明驅動電路參數(shù)選擇合理。將取得經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)應用于10只IGBT串聯(lián),工作于8kV的剛管調制器中也取得了良好的效果,其波形與圖6類似。

圖6調制器輸出電壓波形(500V/p, 5μs/p)