IGBT驱动与保护电路的应用研究

资料来源:瞥一眼汽车

绝缘栅双极晶体管(IGBT),也称为绝缘栅晶体管。由于IGBT内部有寄生晶闸管,因此也可称为绝缘栅晶闸管。它是20世纪80年代中期开发的一种新型复合装置。由于它结合了MOSFET和GTR的优点,具有输入阻抗高,速度快,热稳定性好,驱动电路简单等优点,具有低导通电压和高耐压的优点。深受制造商和用户的欢迎。 IGBT在电机驱动,IF和开关电源以及需要快速,低损耗的区域中具有取代MOSFET和GTR的趋势。然而,在IGBT的实际应用中,要考虑的重要问题之一是IGBT的保护问题。在这里,设计了一个简单而合适的保护电路,并取得了很好的效果。

IGBT驱动点

1. IGBT栅极驱动电压Uge

IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。在设计栅极驱动电路时,可以在栅极驱动电压大于阈值电压时导通IGBT。通常,阈值电压Uge(th)=5至6V。以这种方式,IGBT在导通时可以完全饱和,导通状态损耗最小化,并且可以限制短路电流。因此,栅极驱动电压Uge需要选择合适的值以确保IGBT的可靠操作。当栅极电压增加时,有利于降低IGBT的导通损耗和导通损耗,但同时,IGBT可以承受的短路时间缩短(低于10μs),因此续流二极管反向恢复过电压增加,因此有必要控制栅极电压的变化范围。通常,Uge可在-10和+ 15V之间选择,关断电压为-10V,导通电压为+ 15V。因此,通常选择栅极驱动电压Uge≥D×Uge(th),系数D=1.5,2,2.5和3.当阈值电压Uge(th)为6V时,栅极驱动电压Uge为9V ,12V,15V,18V和12V是最佳选择。当IGBT关断时,栅极被负偏压以改善对负载的短路电阻和由du/dt引起的误触发。

2. IGBT栅极电阻Rg

选择合适的栅极串联电阻Rg对于IGBT驱动非常重要。当Rg增加时,会增加IGBT的导通和关断时间,并增加导通和关断的功耗,但同时,它可以降低续流的反向恢复过电压二极管,减少EMI的影响。当栅极电阻减小时,di/dt增加,这可能导致IGBT导通。当Rg减小时,IGBT开关时间减少并且开关损耗减小。但是,如果Rg太小,则可能发生g和e之间的振荡。 IGBT集电极di/dt增加,导致IGBT集电极尖峰电压损坏IGBT。因此,应根据IGBT电流容量和额定电压以及开关频率选择Rg值,如10Ω,15Ω,27Ω等。建议在g和e之间并联Rge值10kΩ以防止门损坏。

保护电路

1.设计理念

这些驱动集成电路有可能使IGBT反复承受几毫秒的大电流脉冲,同时负载持续短路。短路期间的强电流脉冲会威胁IGBT的安全性并可能导致不可逆转的损坏。因此,在负载短路的情况下,必须尽可能地降低IGBT短路过电流的工作时间。这要求输入电路被外部电路阻挡,以防止IGBT连续通过大电流脉冲。单独的驱动器集成电路不足以完全保护IGBT,并且必须添加辅助保护电路以切断输入驱动信号。

2.硬件保护电路组成

本文通过LM358和LS373可以有效地实现过流和短路保护。该电路主要由LM358,两个二极管,地址锁存器LS373,两个参考电压等组成。

2.1 LS373芯片的特性

LS373是一款八维透明锁存器,具有三态输出。外部引脚和逻辑如图1所示。

LS373的输出1Q-8Q可以直接连接到总线上。当三种状态允许控制终端OE为低电平,1Q-8Q为正常逻辑状态时,可用于驱动负载或总线。当oE水平较高时,1q-8q处于高阻状态。它既不驱动总线也不加载总线,但闩锁内部的逻辑操作不受影响。当le较高时,q随数据d而变化。当le较低时,q锁定在已建立的数据级别。当施密特触发器的输入端具有滞后效应时,交流和直流噪声抗扰度可提高400毫伏。前端符号:1D-8D为数据输入,OE三态为控制端(低电平有效),Le锁存器为端,1q-8q为输出端。真值表如表1所示。

0×251d

2.2硬件保护电路分析

连接方法如图2所示。

0×251e

也称为双限比较器。参考电压为+5伏和-5伏,当输入电压为uinput<;-5伏时,运算放大器lm358输出-15伏,此时二极管vd1断开,vd2接通,uin=12.96伏,udir=5伏,根据真值表,ls373的输出为高阻状态,输出为PWM的T被硬件阻断,udir=0V,光耦合传导(见图3)。

0×251f

F低;当输入电压为-5V时

2.3软件保护电路分析

通常采取的过流保护措施是硬件关闭和软件关闭。硬件关闭意味着当检测到过流和短路信号时,LS373的引脚1的输出为高,这会快速阻止栅极信号并关闭IGBT。但是,由于一旦检测到过流信号就关闭硬件关闭,PWM11至PWM66输出会不断跳变,并且很容易出现故障。为了提高保护电路的抗误动作能力,在硬件短路保护信号之后,即F信号(见图3)之后增加软件封锁。当UDIR

当它为高电平时,LS373直接阻断PWM11~PWM66的信号,实现硬件阻塞信号。同时,UDRIVE变为低电平,F信号拉低,PWM1~PWM6信号被DSP软件阻塞,从而起到软件保护的作用。

3.保护过程

信号变化过程如图4和图5所示,

当电压信号为-5V

实验结果

图6显示当电流信号使电压+ 4.9V,即小于5V的参考电压时,没有硬件保护,F信号也为高电平,PWM输出电压约为15V ,这是IGBT的驱动电压。图7显示当电流信号使电压为5.1V时,即大于参考电压5V,UDIR=5V,硬件电路保护,F信号为低电平,阻断PWM,使PWM输出电压为0V,也就是说,IGBT不是驱动电压。实验表明,当实际电压小于-5V时,IGBT驱动电压也为0V。因此,LM358和LS373地址寄存器可以有效地保护IGBT。

结论

(1)通过LS373阻断PWM脉冲实现硬件保护,可以可靠地保护IGBT,延长IGBT的使用寿命。

(2)在硬件保护的同时,通过三极管和光耦合器将F信号拉低,实现DSP软件保护,提高IGBT保护的可靠性。

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