IGBT應用電子電路設計圖集錦

IGBT絕緣柵雙極型晶體管,，是BJT（雙極型三極管）與MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點,。本文介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在不間斷電源系統(tǒng)中的應用情況,，分析了IGBT 在UPS 中損壞的主要原因和實際應用中應注意的問題,。在UPS 中使用的功率器件有雙極型功率晶體管,、功率MOSFET,、可控硅和IGBT，IGBT 既有功率MOSFET 易于驅動,，控制簡單,、開關頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導通電壓低,，通態(tài)電流大的優(yōu)點,、使用IGBT成為UPS 功率設計的首選，只有對IGBT的特性充分了解和對電路進行可靠性設計,，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點,。本文介紹UPS 中的IGBT 的應用情況和使用中的注意事項。

IGBT電路原理圖

IR2110驅動IGBT電路如圖所示,。電路采用自舉驅動方式,，VD1為自舉二極管，C1為自舉電容,。接通電源,，VT2導通時Cy通過VDt進行充電。這種電路適用于驅動較小容量的IGBT.對于IR2110,，當供電電壓較低時具有使驅動器截止的保護功能,。自舉驅動方式支配著VT2的導通電壓，因此電壓較低的保護功能是其必要條件,。若驅動電壓較低時驅動IGBT,，則IGBT就會發(fā)生熱損壞。VD1選用高速而耐壓大于600V的ERA38-06,、ERB38-06等二極管,。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種MOSFET 與雙極晶體管復合的器件。它既有功率MOSFET 易于驅動,，控制簡單,、開關頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導通電壓低,，通態(tài)電流大,，損耗小的顯著優(yōu)點。據(jù)東芝公司資料,，1200V/100A 的IGBT 的導通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOSFET 的1/10,，而開關時間是同規(guī)格GTR的1/10。由于這些優(yōu)點,，IGBT廣泛應用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的設計中,。這種使用 IGBT 的在線式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強,、可靠性高的顯著優(yōu)點,。?UPS 主要有后備式,、在線互動式和在線式三種結構。在線式UPS 以其可靠性高,，輸出電壓穩(wěn)定,，無中斷時間等顯著優(yōu)點，廣泛用于通信系統(tǒng),、稅務,、金融、證券,、電力,、鐵路、民航,、政府機關的機房中,。本文以在線式為介紹對象，介紹UPS 中的IGBT的應用,。

圖1 在線式不間斷電源主電路圖

圖1 為在線式UPS 的主電路，在線式UPS 電源具有獨立的旁路開關,、AC/DC 整流器,、充電器、DC/AC 逆變器等系統(tǒng),，工作原理是：市電正常時AC/DC 整流器將交電整流成直流電,，同時對蓄電池進行充電，再經(jīng)DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟?，市電異常時,，電池對逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時將輸出轉為旁路供電,。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定,，能為用戶提供真正高質量的正弦波電源。

圖2：應用IGBT 的旁路開關

整流器AC/DC

UPS 整流電路分為普通橋堆整流,、SCR 相控整流和PFC 高頻功率因數(shù)校正的整流器,。傳統(tǒng)的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重,，隨著UPS 技術的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數(shù)要求,，采用PFC 功率因數(shù)校正的UPS 日益普及，PFC 電路工作的基頻至少20KHZ,，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少,，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數(shù)達到0.99，PFC 電路中常用IGBT 作為功率器件,，應用 IGBT 的PFC 整流器是有效率高,、功率容量大,、綠色環(huán)保的優(yōu)點。UPS 的充電器常用的有反激式,、BOOST 升壓式和半橋式,。大電流充電器中可采用單管IGBT，用于功率控制,，可以取得很高的效率和較大的充電電流,。3KVA 以上功率的在線式UPS 幾乎全部采用IGBT 作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路,。?過電流損壞

為了避免IGBT 發(fā)生擎住效應而損壞,，電路設計中應保證IGBT 的最大工作電流應不超過IGBT 的IDM 值，同時注意可適當加大驅動電阻 RG 的辦法延長關斷時間,，減小IGBT 的di/dt,。驅動電壓的大小也會影響IGBT 的擎住效應，驅動電壓低,，承受過電流時間長,，IGBT 必須加負偏壓，IGBT 生產(chǎn)廠家一般推薦加-5V 左右的反偏電壓,。在有負偏壓情況下,，驅動正電壓在10—15V 之間，漏極電流可在5～10μs 內(nèi)超過額定電流的4～10 倍,，所以驅動IGBT 必須設計負偏壓,。由于UPS 負載沖擊特性各不相同，且供電的設備可能發(fā)生電源故障短路,，所以在UPS 設計中采取限流措施進行IGBT的電流限制也是必須的,，可考慮采用IGBT 廠家提供的驅動厚膜電路。如FUJI 公司的EXB841,、EXB840,，三菱公司的M57959AL，57962CL,，它們對IGBT 的集電極電壓進行檢測,，如果IGBT 發(fā)生過電流，內(nèi)部電路進行關閉驅動,。這種辦法有時還是不能保護IGBT,，根據(jù)IR 公司的資料，IR 公司推薦的短路保護方法是：首先檢測通態(tài)壓降Vce,，如果Vce 超過設定值,，保護電路馬上將驅動電壓降為 8V，于是IGBT 由飽和狀態(tài)轉入放大區(qū),，通態(tài)電阻增大,，短路電路減削,，經(jīng)過4us 連續(xù)檢測通態(tài)壓降Vce，如果正常,，將驅動電壓恢復正常,，如果未恢復，將驅動關閉,，使集電極電流減為零,，這樣實現(xiàn)短路電流軟關斷，可以避免快速關斷造成的過大di/dt 損壞IGBT,，另外根據(jù)最新三菱公司IGBT 資料,，三菱推出的F 系列IGBT 的均內(nèi)含過流限流電路（RTC circuit），如圖4,，當發(fā)生過電流,，10us 內(nèi)將IGBT 的啟動電壓減為 9V，配合M57160AL 驅動厚膜電路可以快速軟關斷保護IGBT,。

圖3：IGBT 等效電路圖

圖4 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路

過電壓損壞

防止過電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結構,，通過縮小大電流回路的路徑來減小線路寄生電感；適當增加IGBT 驅動電阻Rg 使開關速度減慢（但開關損耗也增加了）,；設計緩沖電路,，對尖峰電壓進行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復的二極管,，電容必須是高頻、損耗小,，頻率特性好的薄膜電容,。這樣才能取得好的吸收效果。常見電路有耗能式和回饋式緩沖電路,?；仞伿接钟袩o源式和有源式兩種，詳細電路設計可參見所選用器件的技術手冊,。在UPS 中,，逆變橋同臂支路兩個驅動必須是互鎖的，而且應該設置死區(qū)時間（即共同不導通時間）,。如果發(fā)生共導,，IGBT 會迅速損壞。在控制電路應該考慮到各種運行狀況下的驅動問題控制時序問題,?？赏ㄟ^降額使用，加大散熱器,，涂敷導熱膠,，強制風扇制冷,，設置過溫度保護等

IGBT欠壓鎖定保護（UVLO）功能

在剛剛上電的過程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值,。如果此時芯片有輸出會造成IGBT門極電壓過低,，那么它會工作在線性放大區(qū)。 HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護的功能（UVLO）可以解決此問題,。當VCC與VE之間的電壓值小于12V時,，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過多進而燒毀,。示意圖詳見圖1中含UVLO部分,。

圖1 HCPL-316J內(nèi)部原理圖

IGBT過流保護功能

HCPL-316J具有對IGBT的過流保護功能，它通過檢測IGBT的導通壓降來實施保護動作,。同樣從圖上可以看出,，在其內(nèi)部有固定的7V電平，在檢測電路工作時,，它將檢測到的IGBT C～E極兩端的壓降與內(nèi)置的7V電平比較,，當超過7V時，HCPL-316J芯片輸出低電平關斷IGBT,，同時,，一個錯誤檢測信號通過片內(nèi)光耦反饋給輸入側，以便于采取相應的解決措施,。在IGBT關斷時,，其C～E極兩端的電壓必定是超過7V的，但此時,，過流檢測電路失效,，HCPL-316J芯片不會報故障信號。實際上,，由于二極管的管壓降,，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時芯片就采取保護動作。

驅動電路方案設計

驅動電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J,。它控制IGBT管的導通,、關斷并且保護IGBT。它的輸出功能可以簡略的用下面的邏輯功能表來描述,。（詳見表1）

表1 HCPL-316J邏輯功能表

表格中最后一列為輸出,。當輸出為High時IGBT導通，否則IGBT關斷,。IGBT導通需要同時具備最后一行的五個條件,，缺一不可，即同相輸入為高,；反相輸入為低,；欠壓保護功能無效,；未檢測到IGBT故障，無故障反饋信號或故障反饋信號已被清除,。

根據(jù)上述輸出控制功能,，設計電路如圖2。

圖2 IGBT驅動電路

整個電路板的作用相當于一個光耦隔離放大電路,。它的核心部分是芯片HCPL-316J,，其中由控制器（DSP-TMS320F2812）產(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號輸出給HCPL-316J，同時HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號 FAULT*給控制器,。同時在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路,，目的是為了提高輸出電流能力，匹配IGBT驅動要求,。

當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時,，推挽電路上管（T1）導通，下管（T2）截止,，三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極（VG1）上,，IGBT VCE為15V，IGBT導通,。當HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時,，上管（T1）截止，下管（T1）導通,，VCE為-9V,，IGBT關斷。以上就是IGBT的開通關斷過程,。

IGBT驅動電路分析