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絕緣門(mén)極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor,簡(jiǎn)稱(chēng)變頻電源電路設計中IGBT),也稱(chēng)絕緣門(mén)極晶體管。由于變頻電源電路設計中IGBT內具有寄生晶閘管,所以也可稱(chēng)作絕緣門(mén)極晶閘管,它是上世紀80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型復合器件。由于它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身,既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn),因此技術(shù)發(fā)展很快,倍受廠(chǎng)商和用戶(hù)歡迎。在電機驅動(dòng)、中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域,變頻電源電路設計中IGBT有取代MOSFET和GTR的趨勢。但在變頻電源電路設計中IGBT實(shí)際應用中,要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題是變頻電源電路設計中IGBT的保護問(wèn)題,在此自行設計了一種簡(jiǎn)單又適用的保護電路,并取得了很好的效果。

變頻電源電路設計中IGBT驅動(dòng)要點(diǎn)

1變頻電源電路設計中IGBT柵極驅動(dòng)電壓Uge

　　變頻電源電路設計中IGBT的驅動(dòng)條件與變頻電源電路設計中IGBT的特性密切相關(guān)。在設計柵極驅動(dòng)電路時(shí),當柵極驅動(dòng)電壓大于閾值電壓時(shí)變頻電源電路設計中IGBT即可開(kāi)通,一般情況下閾值電壓Uge(th)=5～6V。這樣即可以使變頻電源電路設計中IGBT在開(kāi)通時(shí)完全飽和,通態(tài)損耗最小,又可以限制短路電流。因此柵極驅動(dòng)電壓Uge需要選擇一個(gè)合適的數值,以保證變頻電源電路設計中IGBT的可靠運行。柵極電壓增高時(shí),有利于減小變頻電源電路設計中IGBT的開(kāi)通損耗和導通損耗,但同時(shí)將使變頻電源電路設計中IGBT能承受的短路時(shí)間變短(10μs以下),使續流二極管反向恢復過(guò)電壓增大,所以務(wù)必控制好柵極電壓的變化范圍,一般Uge可選擇在-10～+15V之間,關(guān)斷電壓為-10V,開(kāi)通電壓為+15V。因此通常選取柵極驅動(dòng)電壓Uge≥D×Uge(th),系數D=1.5、2、2.5、3。當閾值電壓Uge(th)為6V時(shí),柵極驅動(dòng)電壓Uge則分別為9V、12V、15V、18V,12V最佳。使變頻電源電路設計中IGBT在關(guān)斷時(shí),柵極加負偏壓,以提高抗負載短路能力和du/dt引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題。

2變頻電源電路設計中IGBT柵極電阻Rg

　　選擇適當的柵極串聯(lián)電阻Rg對變頻電源電路設計中IGBT驅動(dòng)相當重要。當Rg增加時(shí),將使變頻電源電路設計中IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間增加,使開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加,但同時(shí),可以使續流二極管的反向恢復過(guò)電壓減小,同時(shí)減少EMI的影響。而門(mén)極電阻減少,則又使di/dt增大,可能引發(fā)變頻電源電路設計中IGBT誤導通,當Rg減小時(shí),減小變頻電源電路設計中IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間,減小開(kāi)關(guān)損耗;但Rg太小時(shí),可導致g、e之間振蕩,變頻電源電路設計中IGBT集電極di/dt增加,引起變頻電源電路設計中IGBT集電極尖峰電壓,使變頻電源電路設計中IGBT損壞。因此,應根據變頻電源電路設計中IGBT電流容量和電壓額定值及開(kāi)關(guān)頻率選取Rg值,如10Ω、15Ω、27Ω等,建議g、e之間并聯(lián)數值為10kΩ左右的Rge,以防止柵極損壞。

保護電路

1設計思路[1]

　　在負載持續短路時(shí),這些驅動(dòng)集成電路有可能使變頻電源電路設計中IGBT重復承受數毫秒的大電流脈沖。短路期間強大的電流脈沖威脅變頻電源電路設計中IGBT的安全并有可能導致其不可恢復性損壞。因此一旦發(fā)生負載短路,必須盡可能地減少變頻電源電路設計中IGBT短路過(guò)電流的工作時(shí)間,這就必須通過(guò)外電路閉鎖輸入驅動(dòng)信號,防止變頻電源電路設計中IGBT連續通過(guò)大電流脈沖。單靠驅動(dòng)集成電路本身不足以完全保護變頻電源電路設計中IGBT,必須外加輔助保護電路切斷輸入驅動(dòng)信號。

2硬件保護電路組成

　本文通過(guò)LM358和LS373能有效地實(shí)現過(guò)流和短路保護功能。其電路主要由一個(gè)LM358、兩個(gè)二極管、一個(gè)地址鎖存器LS373、兩個(gè)參考電壓等組成。

1

LS373芯片的特性

　　LS373為三態(tài)輸出的八D透明鎖存器,其外部管腳及邏輯如圖1所示。

　　LS373的輸出端1Q～8Q可直接與總線(xiàn)相連。當三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí),1Q～8Q為正常邏輯狀態(tài),可用來(lái)驅動(dòng)負載或總線(xiàn)。當OE為高電平時(shí),1Q～8Q呈高阻態(tài),既不驅動(dòng)總線(xiàn),也不是總線(xiàn)的負載,但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時(shí),Q隨數據D而變。當LE為低電平時(shí),Q被鎖存在已建立的數據電平。當LE端施密特觸發(fā)器的輸入具有滯后作用,可使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。引出端符號:1D～8D為數據輸入端,OE三態(tài)允許控制端(低電平有效),LE鎖存允許端,1Q～8Q為輸出端。真值表如表1所示。

2

硬件保護電路分析

　　連接方法如圖2所示,

　　也稱(chēng)為雙限比較器。參考電壓為+5V和-5V,當輸入電壓UINPUT<-5V時(shí),運放LM358輸出-15V,這時(shí)二極管VD1截止,VD2導通,Uin=12.96V,UDIR=5V,根據真值表,LS373的輸出為高阻態(tài),從硬件上封鎖PWM的輸出,UDIR=0V,光耦導通(見(jiàn)圖3),

　　F為低電平;當輸入電壓為-5V<UINPUT<+5V時(shí),運放LM358輸出-15V,VD1截止,VD2截止,Uin=0V,UDIR=0V,由于LS373的ENABLE為高電平,所以輸入信號與輸出信號一致,UDIR=5V,光耦截止,F為高電平;當輸入電壓UINPUT>+5V時(shí),運放LM358輸出+12.95V,VD1導通,VD2截止,Uin=12.96V,UDIR=5V，同理，LS373的輸出為高阻態(tài)，封鎖了PWM。UDIR=0V，光耦導通，F為低電平。

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軟件保護電路分析

　　通常采取的過(guò)流保護措施有硬件關(guān)斷和軟件關(guān)斷兩種。硬件關(guān)斷指在檢測出過(guò)流和短路信號時(shí),LS373的1腳輸出為高電平,迅速封鎖柵極信號,使變頻電源電路設計中IGBT關(guān)斷。但是,由于硬件關(guān)斷一旦檢測到過(guò)流信號就關(guān)斷,使得PWM11～PWM66輸出不斷地發(fā)生跳變,很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為了提高保護電路的抗誤動(dòng)作能力,在硬件短路保護信號之后添加一個(gè)軟件封鎖,即通過(guò)F信號來(lái)實(shí)現(見(jiàn)圖3)。當UDIR

　　為高電平時(shí),LS373直接封鎖PWM11～PWM66的信號,實(shí)現硬件封鎖信號,同時(shí)UDRIVE變?yōu)榈碗娖?將F信號拉低,通過(guò)DSP軟件來(lái)封鎖PWM1～PWM6信號,從而起到軟件保護的作用。

3保護過(guò)程

　　信號變化過(guò)程如圖4和圖5所示,

　　當電壓信號-5V<UINPUT<+5V時(shí),UDIR=0V,F信號為高電平,硬件不保護,軟件也不保護;當電壓信號UINPUT>+5V時(shí),UDIR=5V,硬件保護,封鎖PWM,同時(shí),UDIRVE=0V,光耦導通,F為低電平,DSP將從軟件上封鎖PWM。隨著(zhù)電流的減小,電壓信號UINPUT將小于+5V,硬件保護UDIR=0V,但此時(shí)軟件將一直封鎖PWM直到重新上電。同理,當電壓信號UINPUT<-5V時(shí),UDIR=5V,硬件保護,封鎖PWM,同時(shí),UDIRVE=0V,光耦導通,F為低電平,DSP將從軟件上封鎖PWM。隨著(zhù)電流的減小,電壓信號UINPUT將小于+5V,硬件保護UDIR=0V,這種過(guò)流保護,一旦動(dòng)作后,要通過(guò)復位才能恢復正常作。

實(shí)驗結果

　　圖6顯示的是當電流信號使電壓為+4.9V,即小于參考電壓5V時(shí),沒(méi)有硬件保護,F信號也為高電平,PWM輸出的電壓為15V左右,即為變頻電源電路設計中IGBT的驅動(dòng)電壓。圖7顯示的是當電流信號使電壓為5.1V,即大于參考電壓5V時(shí),UDIR=5V,硬件電路保護,F信號為低電平,封鎖PWM,使得PWM輸出的電壓為0V,即變頻電源電路設計中IGBT無(wú)驅動(dòng)電壓。實(shí)驗表明:當實(shí)際電壓為小于-5V時(shí),變頻電源電路設計中IGBT驅動(dòng)電壓也為0V。因此,利用LM358和LS373地址所存器能有效地保護變頻電源電路設計中IGBT。

結束語(yǔ)

 (1)通過(guò)LS373封鎖PWM脈沖實(shí)現硬件保護,能夠對變頻電源電路設計中IGBT實(shí)施可靠保護,延長(cháng)變頻電源電路設計中IGBT的使用壽命。  

(2)在硬件保護的同時(shí),通過(guò)三極管和光耦將F信號拉低,實(shí)現DSP軟件保護,提高了變頻電源電路設計中IGBT保護可靠性。

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