解讀各種IGBT驅(qū)動電路和IGBT保護(hù)方法

2SD315A內(nèi)部主要有三大功能模塊構(gòu)成，分別是LDI(Logic To Driver Interface,邏輯驅(qū)動轉(zhuǎn)換接口)、IGD(Intelligent Gate Driver,智能門極驅(qū)動)和輸入與輸出相互絕緣的DC/DC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)外部輸入PWM信號后，由LDI進(jìn)行編碼處理，為保證信號不受外界條件的 干擾，處理過的信號在進(jìn)入IGD前需用高頻隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離。從隔離變壓器另一側(cè)接收到的信號首先在IGD單元進(jìn)行解碼，并把 解碼后的PWM信號進(jìn)行放大(±15V/±15A)以驅(qū)動外接大功率IGBT.當(dāng)智能門極驅(qū)動單元IGD內(nèi)的過流和短路保護(hù)電路檢測到IGBT發(fā)生過 流和短路故障時，由封鎖時間邏輯電路和狀態(tài)確認(rèn)電路產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)時間和封鎖時間，并把此時的狀態(tài)信號進(jìn)行編碼送到邏輯控制單 元LDI.LDI單元對傳送來的IGBT工作狀態(tài)信號進(jìn)行解碼處理，使之在控制回路中得以處理。為防止2SD315A的兩路輸出驅(qū)動信號相互干擾 ,由DC/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的電源供電。

2SD315使用時注意事項(xiàng)：

a、工作模式

驅(qū)動模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地，為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V,信號輸入管腳InA、InB連 接在一起接收來自單片機(jī)的脈沖信號。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳輸出通道的工作狀態(tài)。當(dāng)MOD接地時，MOD接地。通常半橋模式都是驅(qū)動一個直流母線上的一個橋臂，為避免上下橋臂直通必須設(shè)置死區(qū)時間，在死區(qū)時間里兩個 管子同時關(guān)斷。因此，RC 1, RC2端子必須根據(jù)要求外接RC網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生死區(qū)時間，死區(qū)時間一般可以從100n,到幾個ms.圖中所示的RC 1, RC2分別連接lOk.的電阻和100pF的電容，這樣產(chǎn)生的死區(qū)時間大約是500ns.

b、端口VL/Reset

這個端子是用來定義具有施密特性質(zhì)的輸入InA和InB的，使得輸入在2/3VL時開通，在I/3 VL時作為關(guān)斷信號。當(dāng)PWM信號是TTL電平時， 該端子連接如圖3-5所示，當(dāng)輸入InA和InB信號為15V的時候，該端子應(yīng)該通過一個大約1K左右的電阻連接到++15V電源上，這樣開啟和關(guān) 斷電壓分別應(yīng)該是lov和5V.另外，輸入UL/Reset端還有另外的功能：如果其接地，則邏輯驅(qū)動接口單元l.DI001內(nèi)的錯誤信息被清除。

c、門極輸出端

門極輸出Gx端子接電力半導(dǎo)體的門極，當(dāng)SCALE驅(qū)動器用15V供電的時候，門極輸出土15V.負(fù)的門極電壓由驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生。使用如圖3-6 結(jié)構(gòu)的電路可以實(shí)現(xiàn)開通和關(guān)斷的速度的不一樣，增加了用戶使用的靈活性。

d、布局和布線

驅(qū)動器應(yīng)該盡可能近的和功率半導(dǎo)體放在一起，這樣從驅(qū)動器到電力晶體管的引線就會盡可能的短，一般來說驅(qū)動器的連線盡量不要長 過10厘米。同時一般要求到集電極和發(fā)射極的引線采用絞合線，還有可以在IGBT的門極和發(fā)射極之間連接一對齊納穩(wěn)壓二極管(15~18V) 來保護(hù)IGBT不會被擊穿。

驅(qū)動模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地，為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V,信號輸入管腳InA、InB連 接在一起接收來自單片機(jī)的脈沖信號，進(jìn)行同步控制。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳外接三極管和光耦用來向單片機(jī)輸出兩輸出通道的 工作狀態(tài)，其輸出端結(jié)構(gòu)皆為集電極開路輸出，可以通過外接上拉電阻以適用于各種電平邏輯。在管腳SO1、SO2和電源之間，以及VisoX 和LSX之間加發(fā)光二極管進(jìn)行故障指示。正常情況下SO1和SO2輸出皆為高電平，上電后D3和D4先亮，延時幾秒后熄滅，同時D8和D15發(fā)亮。

當(dāng)檢測到故障信號時，SO1和SO2的輸出電平被拉低到地，即D3和D4發(fā)亮，同時D8和D15閃爍。2SD315A是通過監(jiān)測UCE(sat)來判斷回路是否 短路和過流，當(dāng)檢測到一路或兩路發(fā)生過流現(xiàn)象時，檢測電路會把異常狀態(tài)回饋到驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊內(nèi)部會產(chǎn)生一個故障信號并將它 鎖存，鎖存時間為1s,在這段時間內(nèi)，驅(qū)動模塊不再輸出信號，而是將兩組IGBT及時關(guān)斷予以保護(hù)。同時，狀態(tài)輸出管腳SO1和SO2的高電平 被拉低，光耦TLP521導(dǎo)通，兩路狀態(tài)信號通過或門74LS32送給單片機(jī)。為防止因關(guān)斷速度太快在IGBT的集電極上產(chǎn)生很高的反電動勢，在 門極輸出端采用如圖3.11所示的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開通和關(guān)斷速度的不同。開通時門極電阻為3.4Ω，關(guān)斷時電阻為6.8Ω，二極管采用快恢 復(fù)型，這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。這是一張縮略圖，點(diǎn)擊可放大。按住CTRL,滾動鼠標(biāo)滾輪可自由縮放

IGBT短路失效機(jī)理

IGBT負(fù)載短路下的幾種后果

(1) 超過熱極限：半導(dǎo)體的本征溫度極限為250℃，當(dāng)結(jié)溫超過本征溫度，器件將喪失阻斷能力，IGBT負(fù)載短路時，由于短路電流時結(jié)溫升 高，一旦超過其熱極限時，門級保護(hù)也相應(yīng)失效。

(2) 電流擎住效應(yīng)：正常工作電流下，IGBT由于薄層電阻Rs很小，沒有電流擎住現(xiàn)象，但在短路狀態(tài)下，由于短路電流很大，當(dāng)Rs上的壓降 高于0.7V時，使J1正偏，產(chǎn)生電流擎住，門級便失去電壓控制。

(3) 關(guān)斷過電壓：為了抑制短路電流，當(dāng)故障發(fā)生時，控制電路立即撤去正門級電壓，將IGBT關(guān)斷，短路電流相應(yīng)下降。由于短路電流大， 因此，關(guān)斷中電流下降率很高，在布線電感中將感生很高的電壓，尤其是在器件內(nèi)封裝引線電感上的這種感應(yīng)電壓很難抑制，它將使器件 有過電流變?yōu)殛P(guān)斷過電壓而失效

IGBT過流保護(hù)方法

(1) 減壓法：是指在故障出現(xiàn)時，降低門級電壓。由于短路電流比例于外加正門級電壓Ug1,因此在故障時，可將正門級電壓降低。

(2) 切斷脈沖方法：由于在過流時，Uce電壓升高，我們利用檢測集電極電壓的方法來判斷是否過流，如果過流，就切斷觸發(fā)脈沖。同時盡 量采用軟關(guān)斷方式，緩解短路電流的下降率，避免產(chǎn)生過電壓造成對IGBT的損壞。