一種適用于大功率IGBT模塊串聯(lián)工作的新型驅(qū)動(dòng)電路

1引言

隨著電力電子技術(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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等高頻自關(guān)斷器件應(yīng)用的日益廣泛,驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文介紹了一種以CONCEPT公司的IGD515EI驅(qū)動(dòng)器為主要器件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路,適用于大功率、高耐壓IGBT模塊串、并聯(lián)電路的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。通過(guò)光纖傳輸驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)識(shí)別信號(hào),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(qū)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(nèi)部的DC-DC電源模塊只需一路驅(qū)動(dòng)電源就能夠產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)所需的±15V電源。器件內(nèi)還包括功率管的過(guò)流和短路保護(hù)電路,以及信號(hào)反饋檢測(cè)功能。該電路是一種性能優(yōu)異、成熟的驅(qū)動(dòng)電路。

2IGD515EI在剛管調(diào)制器中的應(yīng)用

雷達(dá)發(fā)射機(jī)常用的調(diào)制器一般有三種類型:軟性開(kāi)關(guān)調(diào)制器、剛性開(kāi)關(guān)調(diào)制器和浮動(dòng)板調(diào)制器。浮動(dòng)板調(diào)制器一般用于控制極調(diào)制的微波電子管,而對(duì)于陰調(diào)的微波管則只能采用軟性開(kāi)關(guān)調(diào)制器和剛性開(kāi)關(guān)調(diào)制器。由于軟性開(kāi)關(guān)調(diào)制器不易實(shí)現(xiàn)脈寬變化,故在陰調(diào)微波管發(fā)射機(jī)的脈寬要求變化時(shí),發(fā)射機(jī)的調(diào)制器往往只能采用剛性開(kāi)關(guān)調(diào)制器。剛性開(kāi)關(guān)調(diào)制器又稱剛管調(diào)制器,剛管調(diào)制器因其調(diào)制開(kāi)關(guān)可受控主動(dòng)關(guān)斷而得名。因此,采用這種調(diào)制器發(fā)射機(jī)脈寬可實(shí)現(xiàn)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(diào)制器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,但其觸發(fā)電路設(shè)計(jì)以及單只IGBT有限的電壓和電流能力是其推廣應(yīng)用的難點(diǎn)。方案采用IGD515EI,加入相應(yīng)的外圍電路,構(gòu)成了IGBT驅(qū)動(dòng)電路,通過(guò)IGD515EI的34腳(SDSOA)多管聯(lián)用特性端實(shí)現(xiàn)兩管串聯(lián)應(yīng)用,解決了IGBT單管耐壓不高的問(wèn)題。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光纖接收器HFBR-2521送給驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)動(dòng)模塊報(bào)故障時(shí)通過(guò)光纖發(fā)射器HFBR-1521送出故障信號(hào)給控制電路,由控制電路切斷所有IGBT驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào),各個(gè)IGD515EI同時(shí)輸出-15V的負(fù)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(qū)動(dòng)電路

2. 1IGBT驅(qū)動(dòng)器電源設(shè)計(jì)

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(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(duì)每個(gè)處于高電位的驅(qū)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(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器的25腳(G)輸出的驅(qū)動(dòng)電壓為±12V~±15V,這取決于電源電壓;也可不產(chǎn)生負(fù)的柵極電壓,這要由具體的應(yīng)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(qū)動(dòng)波形上升沿較大,但I(xiàn)GBT導(dǎo)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(qū)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(qū)動(dòng)波形的上升沿,縮短IGBT的導(dǎo)通過(guò)程,減小IGBT離散性造成的導(dǎo)通不一致性,減小動(dòng)態(tài)均壓電路的壓力,但I(xiàn)GBT導(dǎo)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(qū)動(dòng)波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

2. 3IGBT過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路參數(shù)的選擇

(1)響應(yīng)時(shí)間電容和中斷時(shí)間電容選擇

功率管,特別是IGBT的導(dǎo)通需要幾個(gè)微秒,因此功率管導(dǎo)通后要延遲一段時(shí)間才能對(duì)其管壓降進(jìn)行監(jiān)測(cè),以確定IGBT是否過(guò)流,這個(gè)延遲即為“響應(yīng)時(shí)間”。響應(yīng)時(shí)間電容CME的作用是和內(nèi)部1. 5kΩ上拉電阻構(gòu)成數(shù)微秒級(jí)的延時(shí)ta,CME的計(jì)算方法如下:

在IGBT導(dǎo)通以后,通過(guò)IGD515EI內(nèi)部的檢測(cè)電路對(duì)19腳的檢測(cè)電壓(IGBT的導(dǎo)通壓降)進(jìn)行檢測(cè)。若導(dǎo)通壓降高于設(shè)定的門(mén)限,則認(rèn)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(hào),經(jīng)光纖送給控制電路,將驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(duì)于給定的截止時(shí)間,則Cb由下式確定: