一种内置隔离电源的混合集成IGBT驱动器_5
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1 引言

  igbt(isolated gate bipolartransistor),即绝缘栅型双极性晶体管具有优越的低饱和压降,较高的电压和较大的电流输出等特点,在功率电子相关产业得到更为广泛的应用和关注。为了使igbt在大功率系统发挥更稳定和安全的性能,需要为其设计专门的驱动器。国外hp、infineon、ir及fuji等都有专用的hvic驱动器。其主要应用于小功率系统,在较大功率应用中,驱动器常用三菱m57系列与富士exb系列的厚模混合驱动器[1]。但此类驱动器较多不自带隔离电源,需外部增加隔离电源为其供电,增加了驱动电路复杂性,造成用户应用不便。本文详细介绍了一种自带隔离电源的igbt集成混合型驱动器qp12w05s-37的原理与性能,并给出了应用要点。

2 功能概述

  qp12w05s-37是一种自带隔离电源的混分集成igbt驱动器,具有体积小、隔离电压高、信号延迟小和驱动功率大等特点。最大应用频率可达20khz。主要由3个功能块组成,如图1所示。第一功能块是隔离dc/dc变换器,输出正负双电源为驱动电路提供电源,其又可分为电源输入,电源隔离和电源输出三部分;第二功能模块是控制信号的隔离驱动放大,输入驱动控制信号经具有高隔离电压的光耦隔离后传输到驱动放大级,其电气隔离电压可达3750vac,控制信号经放大级后输出驱动igbt。第三功能块是保护电路,通过检测igbt欠饱和导通压降实现过流与短路保护,并输出故障信号。同时具有软关断和延时自恢复功能[2]。

3 工作原理与性能测试

  (1)内置隔离电源

  qp12w05s-37驱动器自带隔离型dc/dc变换器作为驱动电源,采用推挽式变换电路进行电能变换,开关频率约为500khz,输出双路电源电压作为驱动器输出部分的供电电源。一路输出电压为16v;另一路电压为-8.9v。每路最大输出电流为30ma。由于igbt开通与关断时栅极驱动电流较大,为了保证开通与关断时的驱动器能提供足够大的驱动电流,在隔离电源输出端需加一个内阻较小的电容来保证驱动输出足够大的电流要求。考虑到方便用户连接以及减小emi,电源初级侧的地与信号输入负端在驱动器内并未短接,应用时如有需要,可将其两个端子在驱动器外部进行连接。内置了隔离驱动电源的驱动器应用于桥式逆变电路中时,只需单路电源给多只igbt驱动器供电即可,并且该驱动电源可以与控制电路电源共用,极大方便了用户的驱动电路设计。

  (2)信号隔离与放大

  qp12w05s-37驱动器是采用光耦实现驱动信号的隔离与传输,光耦输入侧信号须满足光耦的发光二极管导通电流要求,推荐输入电流为10ma~16ma,在不同的控制信号下需选择合适的输入电阻,其计算方法如下式所示:ri为输入外接限流电阻; vi为控制输入信号幅值;vli为光耦的导通压降(此驱动器光耦导通压降为1.7v);ii为输入电流(此驱动器可选择为10ma~16ma);150为内接限流电阻值。经过光耦隔离后,驱动信号在次级进行了放大,其栅极驱动输出峰值电流可达到5a。其波形如图2所示。

  (3)栅极驱动输出

  qp12w05s-37驱动器栅极驱动输出峰值电流为5a。驱动功率由驱动信号频率,igbt的栅极电荷及栅极驱动电压幅值决定。具体可用以下公式来计算:pg=fswqgug

  其中pg为栅极驱动功率;fsw为应用频率;qg为栅极电荷; ug为栅极驱动电压幅值。

  驱动输出峰值电流是由驱动电压与栅极电阻决定,具体的计算公式如下:

  最大驱动峰值电流:

  igmax=ug/rgmin

  ug=ugon+|ugoff|;

  rgmin=rg+rg

  其中ug为栅极电压幅值;ugon为igbt开通时栅极与发射极之间的电压(此驱动器为15v),ugoff为igbt关断时栅极对发射极的电压(本驱动器为-8v);rgmin为最小栅极电阻,rg为外接栅极电阻值;rg为igbt栅极内阻及外部线路的阻抗值之和。在实际计算中rg经常可忽略不计。

4 过流与短路保护

  (1)短路与过流状态检测

  qp12w05s-37驱动器是通过检测igbt的欠饱和导通压降的方法来判断igbt是否发生过流或短路。当发生短路后,igbt退出饱和区,vce增加,当其达到保护阀值电压vcestat后,保护电路关断igbt,同时输出故障信号。工作原理如下图3所示。

  (2)保护盲区时间调节

  由于igbt导通初期集电极-发射极电压vce很高,为了防止短路保护误动作,必须设计保护盲区时间。不同的igbt的开通时间不同,所需的盲区时间也略有差别,因此,此驱动器设计了盲区时间可调功能,通过外接不同的电容值调节盲区时间。为了保证驱动器检测电路的灵敏度,最大盲区时间不得超过3.5s。

  (3) 过流或短路保护软关断

  在短路或过流保护时,为了防止过快地关断igbt引发过高的峰值电压从而损坏igbt。qp12w05s-37驱动器设有保护时缓慢降低栅极电压的软关断功能。为了适应不同功率等级的应用,此驱动器还设有保护软关断可调功能。通过调节软关断时间的长短使其在不同功率系统下得到更合适的应用。软关断波形如下图4所示。

  由于保护软关断时间也直接影响着igbt的关断损耗,其过长的软关断时间会使igbt发热过大而损坏,所以在调节其软关断时间时,需在满足关断峰值电压要求的条件下尽可能的使软关断时间缩短。

  (4) 故障封锁与恢复

  当发生短路故障后,保护电路会使驱动器输出栅极-发射极电压反偏,关断igbt,同时输出故障信号并封锁控制信号输入,持续时间大约1.4ms。在此封锁时间段内栅极驱动输出状态将不受输入信号影响。过了封锁时间后驱动器将自动恢复至正常初始状态,此时如有控制信号输入时,驱动器将正常输出。其工作原理如图5所示。

5 应用注意事项

  qp12w05s-37驱动器在应用中要注意以下几个方面:

  (1)为了提高驱动器输出电压的稳定性,要求在dc/dc输出端外接低内阻电容,容量根据驱动负载选择;

  (2)驱动器自带隔离电源只为此驱动器应用,所以不可以外接其它负载;

  (3)驱动器带有较多的外部调节功能,为了保证调节精度和效果,在需要时外接元件都需尽可能靠近驱动器;

  (4)栅极驱动输出到igbt栅极电阻之间的引线要尽可能短,最好控制在18cm内。其栅极驱动输出引线与发射极输出引线须用扁平线或双绞线引出;

  (5)由于驱动器的栅极驱动输出的开通与关断采用同一个端子,为了减少关断时igbt集电极的电压过冲,可以采用下图6的连接方法,具有不同的开通栅极电阻和关断栅极电阻。

  (6)由于igbt模块会因其栅极-发射极电压过高而损坏,可在栅极与发射极之间加一个双稳压二极管和10k的电阻对其进行保护。由于普通igbt模块栅极-发射极最高电压为20v,所以双稳压二极管可选为16v~18v。

  (7)短路检测二极管具有反向恢复特性,为了防止igbt集电极高压引入驱动器,可在故障检测端加一个30v的稳压二极管到com端来保护驱动器。

6 结束语

  qp12w05s-37驱动器具有完善的过流与短路保护功能,驱动功率大,集成度高,可靠性高,特别是内置有dc/dc隔离变换器,用户无需外接隔离电源,极大地简化了驱动电路的设计。

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