IGBT應用電子電路設計圖集錦 —電路圖天天讀（189）

　　IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應管）組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在不間斷電源系統中的應用情況，分析了IGBT 在UPS 中損壞的主要原因和實(shí)際應用中應注意的問(wèn)題。在UPS 中使用的功率器件有雙極型功率晶體管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT 既有功率MOSFET 易于驅動(dòng)，控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點(diǎn)、使用IGBT成為UPS 功率設計的首選，只有對IGBT的特性充分了解和對電路進(jìn)行可靠性設計，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹UPS 中的IGBT 的應用情況和使用中的注意事項。

　　IGBT電路原理圖

　　IR2110驅動(dòng)IGBT電路如圖所示。電路采用自舉驅動(dòng)方式，VD1為自舉二極管，C1為自舉電容。接通電源，VT2導通時(shí)Cy通過(guò)VDt進(jìn)行充電。這種電路適用于驅動(dòng)較小容量的IGBT.對于IR2110，當供電電壓較低時(shí)具有使驅動(dòng)器截止的保護功能。自舉驅動(dòng)方式支配著(zhù)VT2的導通電壓，因此電壓較低的保護功能是其必要條件。若驅動(dòng)電壓較低時(shí)驅動(dòng)IGBT，則IGBT就會(huì )發(fā)生熱損壞。VD1選用高速而耐壓大于600V的ERA38-06、ERB38-06等二極管。

　　絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種MOSFET 與雙極晶體管復合的器件。它既有功率MOSFET 易于驅動(dòng)，控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導通電壓低，通態(tài)電流大，損耗小的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。據東芝公司資料，1200V/100A 的IGBT 的導通電阻是同一耐壓規格的功率 MOSFET 的1/10，而開(kāi)關(guān)時(shí)間是同規格GTR的1/10。由于這些優(yōu)點(diǎn)，IGBT廣泛應用于不間斷電源系統（UPS）的設計中。這種使用 IGBT 的在線(xiàn)式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強、可靠性高的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)?！PS 主要有后備式、在線(xiàn)互動(dòng)式和在線(xiàn)式三種結構。在線(xiàn)式UPS 以其可靠性高，輸出電壓穩定，無(wú)中斷時(shí)間等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通信系統、稅務(wù)、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機關(guān)的機房中。本文以在線(xiàn)式為介紹對象，介紹UPS 中的IGBT的應用。

　　圖1 在線(xiàn)式不間斷電源主電路圖

　　圖1 為在線(xiàn)式UPS 的主電路，在線(xiàn)式UPS 電源具有獨立的旁路開(kāi)關(guān)、AC/DC 整流器、充電器、DC/AC 逆變器等系統，工作原理是：市電正常時(shí)AC/DC 整流器將交電整流成直流電，同時(shí)對蓄電池進(jìn)行充電，再經(jīng)DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟?，市電異常時(shí)，電池對逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時(shí)將輸出轉為旁路供電。在線(xiàn)式UPS輸出的電壓和頻率最為穩定，能為用戶(hù)提供真正高質(zhì)量的正弦波電源。

　　圖3：應用IGBT 的旁路開(kāi)關(guān)

　　整流器AC/DC

　　UPS 整流電路分為普通橋堆整流、SCR 相控整流和PFC 高頻功率因數校正的整流器。傳統的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著(zhù)UPS 技術(shù)的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數要求，采用PFC 功率因數校正的UPS 日益普及，PFC 電路工作的基頻至少20KHZ，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數達到0.99，PFC 電路中常用IGBT 作為功率器件，應用 IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。UPS 的充電器常用的有反激式、BOOST 升壓式和半橋式。大電流充電器中可采用單管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。3KVA 以上功率的在線(xiàn)式UPS 幾乎全部采用IGBT 作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路，如下圖4。

　　過(guò)電流損壞

　　為了避免IGBT 發(fā)生擎住效應而損壞，電路設計中應保證IGBT 的最大工作電流應不超過(guò)IGBT 的IDM 值，同時(shí)注意可適當加大驅動(dòng)電阻 RG 的辦法延長(cháng)關(guān)斷時(shí)間，減小IGBT 的di/dt。驅動(dòng)電壓的大小也會(huì )影響IGBT 的擎住效應，驅動(dòng)電壓低，承受過(guò)電流時(shí)間長(cháng)，IGBT 必須加負偏壓，IGBT 生產(chǎn)廠(chǎng)家一般推薦加-5V 左右的反偏電壓。在有負偏壓情況下，驅動(dòng)正電壓在10—15V 之間，漏極電流可在5～10μs 內超過(guò)額定電流的4～10 倍，所以驅動(dòng)IGBT 必須設計負偏壓。由于UPS 負載沖擊特性各不相同，且供電的設備可能發(fā)生電源故障短路，所以在UPS 設計中采取限流措施進(jìn)行IGBT的電流限制也是必須的，可考慮采用IGBT 廠(chǎng)家提供的驅動(dòng)厚膜電路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它們對IGBT 的集電極電壓進(jìn)行檢測，如果IGBT 發(fā)生過(guò)電流，內部電路進(jìn)行關(guān)閉驅動(dòng)。這種辦法有時(shí)還是不能保護IGBT，根據IR 公司的資料，IR 公司推薦的短路保護方法是：首先檢測通態(tài)壓降Vce，如果Vce 超過(guò)設定值，保護電路馬上將驅動(dòng)電壓降為 8V，于是IGBT 由飽和狀態(tài)轉入放大區，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經(jīng)過(guò)4us 連續檢測通態(tài)壓降Vce，如果正常，將驅動(dòng)電壓恢復正常，如果未恢復，將驅動(dòng)關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實(shí)現短路電流軟關(guān)斷，可以避免快速關(guān)斷造成的過(guò)大di/dt 損壞IGBT，另外根據最新三菱公司IGBT 資料，三菱推出的F 系列IGBT 的均內含過(guò)流限流電路（RTC circuit），如圖6，當發(fā)生過(guò)電流，10us 內將IGBT 的啟動(dòng)電壓減為 9V，配合M57160AL 驅動(dòng)厚膜電路可以快速軟關(guān)斷保護IGBT。

　　圖5：IGBT 等效電路圖

　　圖6 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路

　　過(guò)電壓損壞

　　防止過(guò)電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結構，通過(guò)縮小大電流回路的路徑來(lái)減小線(xiàn)路寄生電感；適當增加IGBT 驅動(dòng)電阻Rg 使開(kāi)關(guān)速度減慢（但開(kāi)關(guān)損耗也增加了）；設計緩沖電路，對尖峰電壓進(jìn)行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復的二極管，電容必須是高頻、損耗小，頻率特性好的薄膜電容。這樣才能取得好的吸收效果。常見(jiàn)電路有耗能式和回饋式緩沖電路?；仞伿接钟袩o(wú)源式和有源式兩種，詳細電路設計可參見(jiàn)所選用器件的技術(shù)手冊。在UPS 中，逆變橋同臂支路兩個(gè)驅動(dòng)必須是互鎖的，而且應該設置死區時(shí)間（即共同不導通時(shí)間）。如果發(fā)生共導，IGBT 會(huì )迅速損壞。在控制電路應該考慮到各種運行狀況下的驅動(dòng)問(wèn)題控制時(shí)序問(wèn)題?？赏ㄟ^(guò)降額使用，加大散熱器，涂敷導熱膠，強制風(fēng)扇制冷，設置過(guò)溫度保護等

　　IGBT欠壓鎖定保護（UVLO）功能

　　在剛剛上電的過(guò)程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時(shí)芯片有輸出會(huì )造成IGBT門(mén)極電壓過(guò)低，那么它會(huì )工作在線(xiàn)性放大區。 HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能（UVLO）可以解決此問(wèn)題。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時(shí)，輸出低電平，以防止IGBT工作在線(xiàn)性工作區造成發(fā)熱過(guò)多進(jìn)而燒毀。示意圖詳見(jiàn)圖1中含UVLO部分。

　　圖1 HCPL-316J內部原理圖

　　IGBT過(guò)流保護功能

　　HCPL-316J具有對IGBT的過(guò)流保護功能，它通過(guò)檢測IGBT的導通壓降來(lái)實(shí)施保護動(dòng)作。同樣從圖上可以看出，在其內部有固定的7V電平，在檢測電路工作時(shí)，它將檢測到的IGBT C～E極兩端的壓降與內置的7V電平比較，當超過(guò)7V時(shí)，HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT，同時(shí)，一個(gè)錯誤檢測信號通過(guò)片內光耦反饋給輸入側，以便于采取相應的解決措施。在IGBT關(guān)斷時(shí)，其C～E極兩端的電壓必定是超過(guò)7V的，但此時(shí)，過(guò)流檢測電路失效，HCPL-316J芯片不會(huì )報故障信號。實(shí)際上，由于二極管的管壓降，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時(shí)芯片就采取保護動(dòng)作。

　　驅動(dòng)電路方案設計

　　驅動(dòng)電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導通、關(guān)斷并且保護IGBT。它的輸出功能可以簡(jiǎn)略的用下面的邏輯功能表來(lái)描述。（詳見(jiàn)表1）

　　表1 HCPL-316J邏輯功能表

　　表格中最后一列為輸出。當輸出為High時(shí)IGBT導通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導通需要同時(shí)具備最后一行的五個(gè)條件，缺一不可，即同相輸入為高；反相輸入為低；欠壓保護功能無(wú)效；未檢測到IGBT故障，無(wú)故障反饋信號或故障反饋信號已被清除。

　　根據上述輸出控制功能，設計電路如圖2。

　　圖2 IGBT驅動(dòng)電路

　　整個(gè)電路板的作用相當于一個(gè)光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器（DSP-TMS320F2812）產(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號輸出給HCPL-316J，同時(shí)HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號 FAULT*給控制器。同時(shí)在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路，目的是為了提高輸出電流能力，匹配IGBT驅動(dòng)要求。

　　當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時(shí)，推挽電路上管（T1）導通，下管（T2）截止， 三端穩壓塊LM7915輸出端加在IGBT門(mén)極（VG1）上，IGBT VCE為15V，IGBT導通。當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時(shí)，上管（T1）截止，下管（T1）導通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程。

　　IGBT驅動(dòng)電路分析

　　如圖是一個(gè)單項變頻器IGBT驅動(dòng)電路的一部分電路，輸出只要有Q2那部分，如果A314J的VO端子輸出電壓不足是不是可以判定是A314J本身或者之前電路的問(wèn)題，而不是之后電路的問(wèn)題。

　　編輯點(diǎn)評：IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)，是UPS 中的充電、旁路開(kāi)關(guān)、逆變器，整流器等功率變換的理想器件。只有合理運用IGBT，并采取有效的保護方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。