一種適用于大功率IGBT模塊串聯(lián)工作的新型驅動(dòng)電路

1引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)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(chǎng)效應晶體管)等高頻自關(guān)斷器件應用的日益廣泛,驅動(dòng)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(dòng)器為主要器件構成的驅動(dòng)電路,適用于大功率、高耐壓IGBT模塊串、并聯(lián)電路的驅動(dòng)和保護。通過(guò)光纖傳輸驅動(dòng)及狀態(tài)識別信號,進(jìn)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(dòng)電流。因此,該電路適用于高壓大功率場(chǎng)合。在隔離的高電位端, IGD515EI內部的DC-DC電源模塊只需一路驅動(dòng)電源就能夠產(chǎn)生柵極驅動(dòng)所需的±15V電源。器件內還包括功率管的過(guò)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(dòng)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(lèi)型:軟性開(kāi)關(guān)調制器、剛性開(kāi)關(guān)調制器和浮動(dòng)板調制器。浮動(dòng)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(kāi)關(guān)調制器和剛性開(kāi)關(guān)調制器。由于軟性開(kāi)關(guān)調制器不易實(shí)現脈寬變化,故在陰調微波管發(fā)射機的脈寬要求變化時(shí),發(fā)射機的調制器往往只能采用剛性開(kāi)關(guān)調制器。剛性開(kāi)關(guān)調制器又稱(chēng)剛管調制器,剛管調制器因其調制開(kāi)關(guān)可受控主動(dòng)關(guān)斷而得名。因此,采用這種調制器發(fā)射機脈寬可實(shí)現脈間變化。

IGBT屬于場(chǎng)控功率管,具有開(kāi)關(guān)速度快、管壓降小等特點(diǎn),在剛管調制器中得到越來(lái)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(diǎn)。方案采用IGD515EI,加入相應的外圍電路,構成了IGBT驅動(dòng)電路,通過(guò)IGD515EI的34腳(SDSOA)多管聯(lián)用特性端實(shí)現兩管串聯(lián)應用,解決了IGBT單管耐壓不高的問(wèn)題。IGBT驅動(dòng)電路如圖1所示。驅動(dòng)信號通過(guò)光纖接收器HFBR-2521送給驅動(dòng)模塊,驅動(dòng)模塊報故障時(shí)通過(guò)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(dòng)電路的驅動(dòng)信號,各個(gè)IGD515EI同時(shí)輸出-15V的負偏壓,各個(gè)IGBT同時(shí)關(guān)斷,避免個(gè)別器件提前關(guān)斷,造成過(guò)壓擊穿。

圖1IGBT驅動(dòng)電路

2. 1IGBT驅動(dòng)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,由模塊內部通過(guò)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(gè)處于高電位的驅動(dòng)電路來(lái)說(shuō),只需提供一個(gè)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(dòng)器的25腳(G)輸出的驅動(dòng)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(guò)電阻直接與IGBT:G相連, IGBT的驅動(dòng)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(shí)IGBT的驅動(dòng)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(jìn)行電流放大,可有效地減小IGBT驅動(dòng)波形的上升沿,縮短IGBT的導通過(guò)程,減小IGBT離散性造成的導通不一致性,減小動(dòng)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(shí)IGBT的驅動(dòng)波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

2. 3IGBT過(guò)流檢測及保護電路參數的選擇

(1)響應時(shí)間電容和中斷時(shí)間電容選擇

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

在IGBT導通以后,通過(guò)IGD515EI內部的檢測電路對19腳的檢測電壓(IGBT的導通壓降)進(jìn)行檢測。若導通壓降高于設定的門(mén)限,則認為IGBT處于過(guò)流工作狀態(tài),由IGD515EI的35腳送出IGBT過(guò)流故障信號,經(jīng)光纖送給控制電路,將驅動(dòng)信號封鎖一小段時(shí)間。這段時(shí)間為截止時(shí)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(shí)間,則Cb由下式確定: