一種適用于大功率IGBT模塊串聯(lián)工作的新型驅(qū)動電路

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)動電路的設(shè)計就顯得尤為重要。本文介紹了一種以CONCEPT公司的IGD515EI驅(qū)動器為主要器件構(gòu)成的驅(qū)動電路,適用于大功率、高耐壓IGBT模塊串、并聯(lián)電路的驅(qū)動和保護。通過光纖傳輸驅(qū)動及狀態(tài)識別信號,進行高壓隔離傳輸,具有良好的抗電磁干擾性能和高于15A的驅(qū)動電流。因此,該電路適用于高壓大功率場合。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)動電源就能夠產(chǎn)生柵極驅(qū)動所需的±15V電源。器件內(nèi)還包括功率管的過流和短路保護電路,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(qū)動電路。

2IGD515EI在剛管調(diào)制器中的應(yīng)用

雷達發(fā)射機常用的調(diào)制器一般有三種類型:軟性開關(guān)調(diào)制器、剛性開關(guān)調(diào)制器和浮動板調(diào)制器。浮動板調(diào)制器一般用于控制極調(diào)制的微波電子管,而對于陰調(diào)的微波管則只能采用軟性開關(guān)調(diào)制器和剛性開關(guān)調(diào)制器。由于軟性開關(guān)調(diào)制器不易實現(xiàn)脈寬變化,故在陰調(diào)微波管發(fā)射機的脈寬要求變化時,發(fā)射機的調(diào)制器往往只能采用剛性開關(guān)調(diào)制器。剛性開關(guān)調(diào)制器又稱剛管調(diào)制器,剛管調(diào)制器因其調(diào)制開關(guān)可受控主動關(guān)斷而得名。因此,采用這種調(diào)制器發(fā)射機脈寬可實現(xiàn)脈間變化。

IGBT屬于場控功率管,具有開關(guān)速度快、管壓降小等特點,在剛管調(diào)制器中得到越來越廣泛的應(yīng)用,但其觸發(fā)電路設(shè)計以及單只IGBT有限的電壓和電流能力是其推廣應(yīng)用的難點。方案采用IGD515EI,加入相應(yīng)的外圍電路,構(gòu)成了IGBT驅(qū)動電路,通過IGD515EI的34腳(SDSOA)多管聯(lián)用特性端實現(xiàn)兩管串聯(lián)應(yīng)用,解決了IGBT單管耐壓不高的問題。IGBT驅(qū)動電路如圖1所示。驅(qū)動信號通過光纖接收器HFBR-2521送給驅(qū)動模塊,驅(qū)動模塊報故障時通過光纖發(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(qū)動電路的驅(qū)動信號,各個IGD515EI同時輸出-15V的負偏壓,各個IGBT同時關(guān)斷,避免個別器件提前關(guān)斷,造成過壓擊穿。

圖1IGBT驅(qū)動電路

2. 1IGBT驅(qū)動器電源設(shè)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(nèi)部通過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。因而對每個處于高電位的驅(qū)動電路來說,只需提供一個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

驅(qū)動器的25腳(G)輸出的驅(qū)動電壓為±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(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通過電阻直接與IGBT:G相連, IGBT的驅(qū)動波形上升沿較大,但IGBT導(dǎo)通后上升較快,如圖2所示;

圖2IGD515EI輸出端不加MOS管時IGBT的驅(qū)動波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

如果在25腳與IGBT:G中間串入一只MOS管,進行電流放大,可有效地減小IGBT驅(qū)動波形的上升沿,縮短IGBT的導(dǎo)通過程,減小IGBT離散性造成的導(dǎo)通不一致性,減小動態(tài)均壓電路的壓力,但IGBT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IGBT的驅(qū)動波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

2. 3IGBT過流檢測及保護電路參數(shù)的選擇

(1)響應(yīng)時間電容和中斷時間電容選擇

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

在IGBT導(dǎo)通以后,通過IGD515EI內(nèi)部的檢測電路對19腳的檢測電壓(IGBT的導(dǎo)通壓降)進行檢測。若導(dǎo)通壓降高于設(shè)定的門限,則認為IGBT處于過流工作狀態(tài),由IGD515EI的35腳送出IGBT過流故障信號,經(jīng)光纖送給控制電路,將驅(qū)動信號封鎖一小段時間。這段時間為截止時間tb,大小由20腳(Cb)與24腳(COM)之間外接的電容Cb確定。對于給定的截止時間,則Cb由下式確定: