IGBT驅(qū)動(dòng)器的短路保護(hù)測(cè)試注意要點(diǎn)和方法以及IGBT柵極升壓及其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
IGBT能夠承受的短路時(shí)間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾微秒至幾十微秒。短路電流過(guò)大不僅使短路承受時(shí)間縮短，而且使關(guān)斷時(shí)電流下降率di/dt過(guò)大，由于漏感及引線電感的存在，將導(dǎo)致IGBT集電極過(guò)電壓。該過(guò)電壓可在器件內(nèi)部產(chǎn)生鎖定效應(yīng)，使IGBT鎖定失效，同時(shí)高的過(guò)電壓會(huì)使IGBT擊穿。因此，當(dāng)出現(xiàn)短路過(guò)流時(shí)，必須采取有效的保護(hù)措施。
為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。適用IGBT過(guò)流檢測(cè)的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè)IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的斷；或者采用間接電壓法，檢測(cè)過(guò)流時(shí)IGBT的電壓降UCE，因?yàn)楣軌航抵泻卸搪冯娏餍畔ⅲ^(guò)流時(shí)UCE增大且基本上為線性關(guān)系，檢測(cè)過(guò)流時(shí)的UCE并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出控制IGBT驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。
在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷電流的di/dt過(guò)大形成過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT鎖定無(wú)效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。在檢測(cè)到過(guò)電流信號(hào)后首先是進(jìn)入降柵保護(hù)程序，以降低故障電流的幅值，延長(zhǎng)IGBT的短路承受時(shí)間。在降柵壓動(dòng)作后，設(shè)定一個(gè)固定延遲時(shí)間，用以判斷故障電流的真實(shí)性。如在延遲時(shí)間內(nèi)故障消失，則柵壓自動(dòng)恢復(fù)；如故障仍然存在，則進(jìn)入軟關(guān)斷程序，使柵壓降至0V以下，關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于在降柵壓階段集電極電流已減小，故軟關(guān)斷時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的短路電流下降率和過(guò)高的過(guò)電壓。采用軟降柵壓及軟關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)保護(hù)，使故障電流的幅值和下降率都能受到限制，過(guò)電壓降低，IGBT的電流，電壓運(yùn)行軌跡能保證在安全區(qū)內(nèi)。
帶保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)板，用戶如要測(cè)試正常的靜態(tài)(不加主電情況下)輸出波形，需要注意以下幾點(diǎn)：
1、如果功率管IGBT或MOSFET已經(jīng)連接在電路中了，則加上驅(qū)動(dòng)電源和PWM輸入信號(hào)，就可以在輸出端用示波器看到相應(yīng)的輸出信號(hào)。
2、如果功率管沒(méi)有接，只是在做一個(gè)輸出測(cè)試，那么必須將應(yīng)接功率管集電極和發(fā)射極(或漏極和源極)的兩點(diǎn)予以短路才行。因?yàn)槿绻姌O或漏極懸空，那么驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)板將認(rèn)為功率管處于短路狀態(tài)而啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制，這時(shí)看到的將是驅(qū)動(dòng)器輸出的保護(hù)信號(hào)波形，無(wú)論是波形形狀還是周期都與輸入的PWM信號(hào)完全不同。
IGBT在應(yīng)用中要解決的主要問(wèn)題就是如何在過(guò)流、短路和過(guò)壓的情況下對(duì)IGBT實(shí)行比較完善的保護(hù)。過(guò)流故障一般需要稍長(zhǎng)的時(shí)間才使電源過(guò)熱，因此對(duì)它的保護(hù)都由主控制板來(lái)解決。過(guò)壓一般發(fā)生在IGBT關(guān)斷時(shí)，較大的di/dt在寄生電感上產(chǎn)生了較高的電壓，這需要用緩沖電路來(lái)鉗制，或者適當(dāng)降低關(guān)斷的速率。短路故障發(fā)生后瞬時(shí)就會(huì)產(chǎn)生極大的電流，很快就會(huì)損壞IGBT，主控制板的過(guò)流保護(hù)根本來(lái)不及，必須由驅(qū)動(dòng)電路或驅(qū)動(dòng)器立刻加以保護(hù)。 因此驅(qū)動(dòng)器的短路保護(hù)功能設(shè)計(jì)的是否完善，對(duì)電源的安全運(yùn)行至關(guān)重要。拿到一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，使用前先測(cè)試一下它的短路保護(hù)功能是否完善，是很有必要的。本文介紹兩種測(cè)試方法。
??1、第一種測(cè)試方法
圖中PWM信號(hào)送到驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端，故障后再啟動(dòng)電容Creset=10nF，Dhv是高反壓快恢復(fù)管，限流電阻Rlimit=10-100R，電容 C=10-470uF。示波器可在驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出端監(jiān)測(cè)。如果不接Creset，則驅(qū)動(dòng)器輸出端輸出的是約1ms的脈沖，也就是IGBT每1ms短路一次。考慮到有的IGBT在這種情況下時(shí)間長(zhǎng)了仍有可能過(guò)熱燒毀，接入10nF的Creset后，則為約12ms短路一次，保證了IGBT的安全。過(guò)流動(dòng)作閾值設(shè)置電阻Rn的選取，請(qǐng)根據(jù)所試驅(qū)動(dòng)器說(shuō)明中的關(guān)于Rn的說(shuō)明和所試驗(yàn)IGBT的正向伏安特性曲線選取合適的阻值。在單管電路的開(kāi)關(guān)電源中，接入適當(dāng)?shù)腃reset后，可以省去通常的短路信號(hào)反饋光耦。
??2、第二種測(cè)試方法
與第一種方法類似，只是不讓IGBT始終保持短路，用手工來(lái)短路A、B兩點(diǎn)。這種短路試驗(yàn)比第一種更嚴(yán)酷，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求也更高，因?yàn)槭止ざ搪罚豢赡芤幌陆訉?shí)，實(shí)際是一連串的通斷過(guò)程。落木源的驅(qū)動(dòng)器可以保證您的IGBT的安全。
注意：實(shí)驗(yàn)時(shí)一定注意人身安全，最好在工頻輸入處加一個(gè)隔離變壓器。
IGBT驅(qū)動(dòng)器的短路保護(hù)測(cè)試注意要點(diǎn)和方法以及IGBT柵極升壓及其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
1.?IGBT柵極升壓/加強(qiáng)
如果IGBT按照慣例導(dǎo)通，充電電流取決于柵極電阻和柵極驅(qū)動(dòng)電壓。首先，在開(kāi)通階段，IGBT柵-射極電壓為0V或是負(fù)電壓(由施加在柵極的關(guān)斷電壓決定)，并且充電電流的峰值只受柵極電阻和電感限制。IGBT的輸入電容和反向傳輸電容被充電直至最大電壓(一般為15V)。
一種快速達(dá)到IGBT閥值電壓UCE(TO)的方法是給柵極增壓。通過(guò)較大的柵極電流，IGBT能更快開(kāi)通。為了保證續(xù)流二極管的軟換流，當(dāng)達(dá)到閥值電壓時(shí)充電過(guò)程要立即放緩。通過(guò)這種策略可以在不損壞續(xù)流二極管的情況下，減小IGBT的開(kāi)通損耗。事實(shí)上，可以選擇一個(gè)很小的柵極電阻RGon，一旦達(dá)到UCE(TO)，立即增大RGon。這個(gè)過(guò)程稱為兩級(jí)開(kāi)關(guān)。
另一種方法是利用輔助升壓電路，如圖1所示。當(dāng)増大柵-射極電壓，門(mén)電路導(dǎo)通，IGBT柵極電流相應(yīng)地增加。到達(dá)UGE(TO)后，升壓(24V)電路被關(guān)斷，這樣IGBT電容由正常的柵極驅(qū)動(dòng)電壓(15V)驅(qū)動(dòng)，而柵極電流相應(yīng)地降低。
??2.?柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)不僅要關(guān)注IGBT靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，也需要注意相應(yīng)續(xù)流二極管的特性。下文將探討驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的基本概念。權(quán)衡開(kāi)關(guān)特性的影響和整合保護(hù)功能等方面的設(shè)計(jì)將在后面文章討論。
當(dāng)選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)，一個(gè)重要的參數(shù)是驅(qū)動(dòng)IGBT的最大峰值電流’p￠ak。為此，需要分開(kāi)考慮開(kāi)通和關(guān)斷電流。雖然在很多應(yīng)用中，開(kāi)通電流、關(guān)斷電流都是一致的，但它們要分開(kāi)計(jì)算，并估算出最小的柵極電阻。
可以通過(guò)式(1)來(lái)估算最大峰值電流，即
式中，Ipeak為驅(qū)動(dòng)器必須提供的峰值電流(A)；?UCE,max為用于開(kāi)通IGBT的正柵極電壓(V)；UCE,min為用于關(guān)斷IGBT的負(fù)柵極電壓(V)或0；RGint為IGBT內(nèi)部的柵極電阻(如果存在)(Ω)；RGext為外部柵極電阻(Ω)。
如果IGBT驅(qū)動(dòng)器增加了額外的外部柵-射極電容CG，常用的近似方法是把這個(gè)電容等效于內(nèi)部柵極電阻的短路。因此，RGint在式(1)中應(yīng)被 置為0。
在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算峰值電流的校正因數(shù)為0.7。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器內(nèi)部阻抗總是存在的，同時(shí)也考慮到了寄生電阻和電感的效應(yīng)。校正因數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程需要考慮以下問(wèn)題：
在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，假設(shè)IGBT的內(nèi)部電容CGE恒定，寄生電感LG和獨(dú)立的引線電感LGon和LGoff由二階RLC電路的微分方程推導(dǎo)確定，即
式中，L為柵極路徑中電感的總和(H)；?RG為外部和內(nèi)部柵極電阻的總和(Ω)；iG(t)為隨時(shí)間變化的柵極電流(A)。
柵極路徑中不會(huì)引起振蕩的最小柵極電阻RGmin為
式中，e為自然對(duì)數(shù)，e=2.71828。
因此對(duì)于大的LG，RG(主要是RGon)的值也必須增大，以避免續(xù)流一極管的跳變行為。
如果采用不同的柵極電阻RGon和RGoff，所需峰值電流由最小的電阻確定，從而選擇驅(qū)動(dòng)器。需要注意的是一些驅(qū)動(dòng)芯片在IGBT開(kāi)關(guān)期間，提供不同的峰值電流。在這種情況下，開(kāi)關(guān)期間的峰值電流都應(yīng)該加以計(jì)算且驅(qū)動(dòng)芯片也要做出相應(yīng)的選擇。圖2給出了含寄生元件的驅(qū)動(dòng)級(jí)。
如果驅(qū)動(dòng)級(jí)的峰值電流能力不足，可以在驅(qū)動(dòng)器的輸出和IGBT柵極電阻之同增加一個(gè)額外的升壓器。當(dāng)BJT作為升壓級(jí)時(shí)，計(jì)算過(guò)程如下：
·用式(1)計(jì)算所需的峰值電流。需要考慮不同的RGon和RGoff以及一個(gè)合適的CG。
·選擇合適的NPN和PNP的BJT以及每個(gè)升壓級(jí)的最大電流。當(dāng)只用一個(gè)升壓級(jí)時(shí)，這個(gè)電流與以前計(jì)算的峰值電流一致。然而，當(dāng)有多個(gè)升壓級(jí)一起使用時(shí)，可以并聯(lián)。每個(gè)升壓級(jí)提供電流可以由計(jì)算的峰值電流除以升壓器的數(shù)量。
·參照相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)確定BJT的電流傳輸比hFE。hFE取決于先前計(jì)算的每個(gè)升壓級(jí)的電流。
·計(jì)算驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)升壓級(jí)所需的電流。這個(gè)電流取決于電流傳輸比和電路中升壓級(jí)的數(shù)量。
雙極性升壓電路的計(jì)算示例如圖3所示。