igbt驱动与保护电路-凯发k8官方网站

绝缘门极双极型晶体管(isolated gate bipolar transistor,简称凯发k8官方网站-凯发k8官网),也称绝缘门极晶体管。由于凯发k8官方网站-凯发k8官网内具有寄生晶闸管,所以也可称作绝缘门极晶闸管,它是上世纪80年代中期发展起来的一种新型复合器件。由于它将mosfet和gtr的优点集于一身,既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点,又有通态电压低、耐压高的优点,因此技术发展很快,倍受厂商和用户欢迎。在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域,凯发k8官方网站-凯发k8官网有取代mosfet和gtr的趋势。但在凯发k8官方网站-凯发k8官网实际应用中,要重点考虑的一个问题是凯发k8官方网站-凯发k8官网的保护问题,在此自行设计了一种简单又适用的保护电路,并取得了很好的效果。

凯发k8官方网站-凯发k8官网驱动要点

1凯发k8官方网站-凯发k8官网栅极驱动电压uge

　　凯发k8官方网站-凯发k8官网的驱动条件与凯发k8官方网站-凯发k8官网的特性密切相关。在设计栅极驱动电路时,当栅极驱动电压大于阈值电压时凯发k8官方网站-凯发k8官网即可开通,一般情况下阈值电压uge(th)=5～6v。这样即可以使凯发k8官方网站-凯发k8官网在开通时完全饱和,通态损耗最小,又可以限制短路电流。因此栅极驱动电压uge需要选择一个合适的数值,以保证凯发k8官方网站-凯发k8官网的可靠运行。栅极电压增高时,有利于减小igbt的开通损耗和导通损耗,但同时将使igbt能承受的短路时间变短(10μs以下),使续流二极管反向恢复过电压增大,所以务必控制好栅极电压的变化范围,一般uge可选择在-10～+15v之间,关断电压为-10v,开通电压为+15v。因此通常选取栅极驱动电压uge≥d×uge(th),系数d=1.5、2、2.5、3。当阈值电压uge(th)为6v时,栅极驱动电压uge则分别为9v、12v、15v、18v,12v最佳。使igbt在关断时,栅极加负偏压,以提高抗负载短路能力和du/dt引起的误触发等问题。

2igbt栅极电阻rg

　　选择适当的栅极串联电阻rg对igbt驱动相当重要。当rg增加时,将使igbt的开通与关断时间增加,使开通与关断能耗均增加,但同时,可以使续流二极管的反向恢复过电压减小,同时减少emi的影响。而门极电阻减少,则又使di/dt增大,可能引发igbt误导通,当rg减小时,减小igbt开关时间,减小开关损耗;但rg太小时,可导致g、e之间振荡,igbt集电极di/dt增加,引起igbt集电极尖峰电压,使igbt损坏。因此,应根据igbt电流容量和电压额定值及开关频率选取rg值,如10ω、15ω、27ω等,建议g、e之间并联数值为10kω左右的rge,以防止栅极损坏。

保护电路

1设计思路[1]

　　在负载持续短路时,这些驱动集成电路有可能使igbt重复承受数毫秒的大电流脉冲。短路期间强大的电流脉冲威胁igbt的安全并有可能导致其不可恢复性损坏。因此一旦发生负载短路,必须尽可能地减少igbt短路过电流的工作时间,这就必须通过外电路闭锁输入驱动信号,防止igbt连续通过大电流脉冲。单靠驱动集成电路本身不足以完全保护igbt,必须外加辅助保护电路切断输入驱动信号。

2硬件保护电路组成

　　本文通过lm358和ls373能有效地实现过流和短路保护功能。其电路主要由一个lm358、两个二极管、一个地址锁存器ls373、两个参考电压等组成。

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ls373芯片的特性

　　ls373为三态输出的八d透明锁存器,其外部管脚及逻辑如图1所示。

ls373的输出端1q～8q可直接与总线相连。当三态允许控制端oe为低电平时,1q～8q为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。当oe为高电平时,1q～8q呈高阻态,既不驱动总线,也不是总线的负载,但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端le为高电平时,q随数据d而变。当le为低电平时,q被锁存在已建立的数据电平。当le端施密特触发器的输入具有滞后作用,可使交流和直流噪声抗扰度被改善400mv。引出端符号:1d～8d为数据输入端,oe三态允许控制端(低电平有效),le锁存允许端,1q～8q为输出端。真值表如表1所示。

硬件保护电路分析

连接方法如图2所示,

也称为双限比较器。参考电压为+5v和-5v,当输入电压uinput<-5v时,运放lm358输出-15v,这时二极管vd1截止,vd2导通,uin=12.96v,udir=5v,根据真值表,ls373的输出为高阻态,从硬件上封锁pwm的输出,udir=0v,光耦导通(见图3),

　　f为低电平;当输入电压为-5v时,运放lm358输出-15v,vd1截止,vd2截止,uin=0v,udir=0v,由于ls373的enable为高电平,所以输入信号与输出信号一致,udir=5v,光耦截止,f为高电平;当输入电压uinput>+5v时,运放lm358输出+12.95v,vd1导通,vd2截止,uin=12.96v,udir=5v，同理，ls373的输出为高阻态，封锁了pwm。udir=0v，光耦导通，f为低电平。

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软件保护电路分析

　　通常采取的过流保护措施有硬件关断和软件关断两种。硬件关断指在检测出过流和短路信号时,ls373的1脚输出为高电平,迅速封锁栅极信号,使igbt关断。但是,由于硬件关断一旦检测到过流信号就关断,使得pwm11～pwm66输出不断地发生跳变,很容易发生误动作。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添加一个软件封锁,即通过f信号来实现(见图3)。当udir

　　为高电平时,ls373直接封锁pwm11～pwm66的信号,实现硬件封锁信号,同时udrive变为低电平,将f信号拉低,通过dsp软件来封锁pwm1～pwm6信号,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-5v+5v时,udir=5v,硬件保护,封锁pwm,同时,udirve=0v,光耦导通,f为低电平,dsp将从软件上封锁pwm。随着电流的减小,电压信号uinput将小于+5v,硬件保护udir=0v,但此时软件将一直封锁pwm直到重新上电。同理,当电压信号uinput<-5v时,udir=5v,硬件保护,封锁pwm,同时,udirve=0v,光耦导通,f为低电平,dsp将从软件上封锁pwm。随着电流的减小,电压信号uinput将小于+5v,硬件保护udir=0v,这种过流保护,一旦动作后,要通过复位才能恢复正常作。

实验结果

     　　图6显示的是当电流信号使电压为+4.9v,即小于参考电压5v时,没有硬件保护,f信号也为高电平,pwm输出的电压为15v左右,即为igbt的驱动电压。图7显示的是当电流信号使电压为5.1v,即大于参考电压5v时,udir=5v,硬件电路保护,f信号为低电平,封锁pwm,使得pwm输出的电压为0v,即igbt无驱动电压。实验表明:当实际电压为小于-5v时,igbt驱动电压也为0v。因此,利用lm358和ls373地址所存器能有效地保护igbt。

结束语

 (1)通过ls373封锁pwm脉冲实现硬件保护,能够对igbt实施可靠保护,延长igbt的使用寿命。  

(2)在硬件保护的同时,通过三极管和光耦将f信号拉低,实现dsp软件保护,提高了igbt保护可靠性