高頻電源模塊的驅(qū)動電路的設(shè)計與研究

　　(1)動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動電壓脈沖；

　　(2)IGBT導通后，柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)，瞬時過載時，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)而損壞；

　　(3)能向IGBT提供適當?shù)恼驏艍海话闳?15V為宜；

　　(4)能向IGBT提供足夠的反向柵壓，利于IGBT的快速關(guān)斷，幅值一般為5V-15V；

　　(5)由于IGBT多用于高壓場合，驅(qū)動電路必需有足夠的輸入輸出電隔離能力且不影響驅(qū)動信號的正常傳輸；

　　(6)具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿；

　　(7)輸入輸出信號傳輸具有盡可能短的延時；

　　(8)當IGBT負載短路或過流時，能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現(xiàn)軟關(guān)斷；

　　(9)當出現(xiàn)過流、短路等情況時能迅速發(fā)出過流保護信號供給控制電路進行處理。

　　2、驅(qū)動器的選擇

　　目前，市場上常見的驅(qū)動器有日本富士EXB系列、日本英達HR系列、日本三菱M579系列及美國Unitrode公司的UC系列，它們功能大致相同，但也有許多不同之處。目前國內(nèi)流行使用的EXB841不具備定時邏輯柵壓控制的功能，過流時若驅(qū)動器入口信號消失，則其出口信號隨之消失而損壞IGBT，且關(guān)斷負壓－5V不夠可靠。

　　HR065的短路保護穩(wěn)定，但可靠性差。經(jīng)過對比分析，我們選用日本三菱公司的M57962AL驅(qū)動器。該驅(qū)動器具有如下特點:

　　(1)采用高速光偶隔離，輸入輸出隔離絕緣強度高 ；

　　(2)輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；

　　(3)內(nèi)部有定時邏輯短路保護電路，同時具有廷時保護特性；

　　(4)具有可靠通斷措施(采用雙電源供電)；

　　(5)驅(qū)動功率大，可以驅(qū)動600A/600V或400A/1200V的IGBT模塊。

　　M57962AL是厚模單列直插式封裝，如圖1所示，是從左至右依次編號，其中9～12為空端。各引腳功能如下：

• 　　1端和2端：故障檢測輸入端；
• 　　4端：接正電源VCC ；
• 　　5端：驅(qū)動信號輸出端 ；
• 　　6端：接負電源VEE ；
• 　　8端：故障信號輸出 ；
• 　　13端和14端：驅(qū)動信號輸入端。

圖1 M57962AL芯片的外觀尺寸圖

　　M57962AL芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部保護電路如圖2和圖3所示。

圖2 M57962AL芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 M57962AL的內(nèi)部保護電路圖

　　3、 驅(qū)動電路的實現(xiàn)

　　IGBT的驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖4 IGBT的驅(qū)動電路原理圖

　　圖中Q1為由控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號輸入，fault為本驅(qū)動電路在檢測到過流等故障時發(fā)出的故障檢測信號。C1、G1、E1分別接IGBT的源、柵、漏級。驅(qū)動電路的供電采用單電源加穩(wěn)壓管方式，主要考慮了以下幾個方面的問題。

　　(1) 穩(wěn)壓管D的合理選擇

　　驅(qū)動器M57962AL通過檢測IGBT的通態(tài)飽和壓降（即1腳的電壓U1）來判斷是否過流，當檢測出IGBT的柵極和源極同為高電平時就判斷為過流，此時降低柵極驅(qū)動電壓。并通過光耦向控制電路發(fā)出故障信號。IGBT正常工作時的通態(tài)壓降一般為2.5V～3.0V。而M57962AL的過流檢測端的閥值電壓Ucs設(shè)計為10V。如此高的閥值電壓對諸如橋臂直通、負載短路等情況有一定的保護作用。但動作非常遲緩，甚至起不到保護作用。因此必須降低過流保護閥值，方法是在檢測端串聯(lián)一穩(wěn)壓管D2，通過實驗來確定穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。它們之間滿足如下關(guān)系：

　　當芯片1腳的電壓U1達到過流檢測端的閥值電壓UCS，M57962AL軟降柵壓，同時發(fā)出故障信號。VD2選取越大則允許的VCE越小，IGBT允許流過的電流值亦越小。在本課題研究中，設(shè)定的管壓保護值為4.2V，對應的保護電流值為300A，所以采用的穩(wěn)壓管D2的壓降為

　　(2)VCC、VEE的選取

　　由于IGBT導通后的管壓降與所加正向柵壓有關(guān)，在漏源電流一定的情況下，正向柵壓增加時，通態(tài)壓降下降，器件導通損耗減小。但若發(fā)生過流或短路，正向柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT越易損壞。對集電極額定電流200A的IGBT來說，VCC選擇+12V～+15V比較合適，在這一點通態(tài)接近飽和值，是IGBT工作的最佳點。而為使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給處于截止狀態(tài)的IGBT外加－10V左右的反向柵壓VEE比較合適。實現(xiàn)電路中考慮到簡化輔助電源設(shè)計的因素，采用24V單電源外加9.1V穩(wěn)壓管的方式為驅(qū)動電路供電。即：VCC＝＋15V，VEE＝－9V。

　　(3)柵極電阻Rg的選取

　　柵極驅(qū)動電阻的取值非常重要，適當數(shù)值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開關(guān)開通時間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。從安全可靠性角度來說，應當取較大的柵電阻，但是，較大的柵電阻影響開關(guān)速度、增加開關(guān)損耗。從提高工作頻率角度，應當取較小的柵電阻。一般情況下，可靠性是第一位的，因此使用中傾向于取較大值的電阻。柵極電阻的最佳值應當通過實驗確定。本文中經(jīng)過實驗調(diào)試，選擇Rg=4.7Ω。

　　(4)電容Ctrip的選取

　　M57962AL與M57962L的不同之處就在于，M57962AL利用改變引腳2，4之間的電容Ctrip可以對短路保護檢測時間進行調(diào)整，應用比較靈活。若2腳懸空，短路保護檢測時間為2.6μs，保護動作太靈敏常容易引起誤動作。為此，通過接在2，4腳之間一個電容Ctrip來調(diào)節(jié)保護時間，選取1000pF左右的電容，保護時間大約為3μs。若保護仍然過于敏感，可改用3300pF的電容，此時保護時間約為6μs。

　　此外，對于M57962AL驅(qū)動電路，在以下兩種情況容易導致驅(qū)動電路失去負偏壓：一是產(chǎn)生負偏壓的穩(wěn)壓二極管D2被擊穿短路；二是驅(qū)動電路在單電源供電時，因失去電源供電電壓的時候。此時若按傳統(tǒng)的M57962AL單電源供電的典型接法(如圖5)，并沒有保護信號給出，易造成IGBT的損壞。

圖5 M57962AL的典型接法

　　針對上述情況，對M57962AL的外圍電路進行了一些改進（如圖4所示）。在正常情況下，D4導通，M57962AL的8腳為高電平，D1截止，VT導通，光耦輸出呈低阻態(tài)，故障信號為低電平，表現(xiàn)為無故障。過流保護時，D4導通，M57962AL的8腳為低電平，D1導通，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，故障信號為高電平，表現(xiàn)為有故障發(fā)生。如果穩(wěn)壓二極管D2擊穿短路，則D4截止，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，同樣給出故障信號。如果驅(qū)動電路失去+24V電壓，則光耦無電流流過，仍然表現(xiàn)為故障保護。這樣就避免了IGBT因為失去負偏壓或者失去供電而導致?lián)p壞。另外這里為了加快對故障信號的反應，故障保護輸出光耦選用高速光耦6N137。

　　性能優(yōu)越的驅(qū)動電路是高頻電源模塊運行可靠的保證。采用驅(qū)動器M57962AL實現(xiàn)IGBT的驅(qū)動電路，可以使IGBT工作可靠，性能穩(wěn)定。