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1 前 言 電 力 電 子 變 換 技 術 的 發(fā) 展 ， 使 得 各 種 各 樣 的 電 力 電 子 器 件 得 到 了 迅 速 的 發(fā) 展 。 20世 紀 80年 代 ， 為 了 給 高 電 壓 應 用 環(huán) 境 提 供 一 種 高 輸 入 阻 抗 的 器 件 ， 有 人 提 出 了 絕 緣 門 極 雙 極 型 晶 體 管 （ IGBT） [1>。 在 IGBT中 ， 用 一 個 MOS門 極 區(qū) 來 控 制 寬 基 區(qū) 的 高 電 壓 雙 極 型 晶 體 管 的 電 流 傳 輸 ， 這 就 產 生 了 一 種 具 有 功 率 MOSFET的 高 輸 入 阻 抗 與 雙 極 型 器 件 優(yōu) 越 通 態(tài) 特 性 相 結 合 的 非 常 誘 人 的 器 件 ， 它 具 有 控 制 功 率 小 、 開 關 速 度 快 和 電 流 處 理 能 力 大 、 飽 和 壓 降 低 等 性 能 。 在 中 小 功 率 、 低 噪 音 和 高 性 能 的 電 源 、 逆 變 器 、 不 間 斷 電 源 （ UPS） 和 交 流 電 機 調 速 系 統(tǒng) 的 設 計 中 ， 它 是 目 前 最 為 常 見 的 一 種 器 件 。 功 率 器 件 的 不 斷 發(fā) 展 ， 使 得 其 驅 動 電 路 也 在 不 斷 地 發(fā) 展 ， 相 繼 出 現(xiàn) 了 許 多 專 用 的 驅 動 集 成 電 路 。 IGBT的 觸 發(fā) 和 關 斷 要 求 給 其 柵 極 和 基 極 之 間 加 上 正 向 電 壓 和 負 向 電 壓 ， 柵 極 電 壓 可 由 不 同 的 驅 動 電 路 產 生 。 當 選 擇 這 些 驅 動 電 路 時 ， 必 須 基 于 以 下 的 參 數 來 進 行 ： 器 件 關 斷 偏 置 的 要 求 、 柵 極 電 荷 的 要 求 、 耐 固 性 要 求 和 電 源 的 情 況 。 圖 1為 一 典 型 的 IGBT驅 動 電 路 原 理 示 意 圖 。 因 為 IGBT柵 極 ? 發(fā) 射 極 阻 抗 大 ， 故 可 使 用MOSFET驅 動 技 術 進 行 觸 發(fā) ， 不 過 由 于 IGBT的 輸 入 電 容 較 MOSFET為 大 ， 故 IGBT的 關 斷 偏 壓 應 該 比 許 多 MOSFET驅 動 電 路 提 供 的 偏 壓 更 高 。 對 IGBT驅 動 電 路 的 一 般 要 求 [2>[3>： 1） 柵 極 驅 動 電 壓 IGBT開 通 時 ， 正 向 柵 極 電 壓 的 值 應 該 足 夠 令 IGBT產 生 完 全 飽 和 ， 并 使 通 態(tài) 損 耗 減 至 最 小 ， 同 時 也 應 限 制 短 路 電 流 和 它 所 帶 來 的 功 率 應 力 。 在 任 何 情 況 下 ， 開 通 時 的 柵 極 驅 動 電 壓 ， 應 該 在 12～ 20 V之 間 。 當 柵 極 電 壓 為 零 時 ， IGBT處 于 斷 態(tài) 。 但 是 ， 為 了 保 證 IGBT在 集 電 極 ? 發(fā) 射 極 電 壓 上 出 現(xiàn) dv/dt噪 聲 時 仍 保 持 關 斷 ， 必 須 在 柵 極 上 施 加 一 個 反 向 關 斷 偏 壓 ， 采 用 反 向 偏 壓 還 減 少 了 關 斷 損 耗 。 反 向 偏 壓 應 該 在 － 5～ － 15 V之 間 。 2） 串 聯(lián) 柵 極 電 阻 （ Rg） 選 擇 適 當 的 柵 極 串 聯(lián) 電 阻 對 IGBT柵 極 驅 動 相 當 重 要 。 IGBT的 開 通 和 關 斷 是 通 過 柵 極 電 路 的 充 放 電 來 實 現(xiàn) 的 ， 因 此 柵 極 電 阻 值 將 對 IGBT的 動 態(tài) 特 性 產 生 極 大 的 影 響 。 數 值 較 小 的 電 阻 使 柵 極 電 容 的 充 放 電 較 快 ， 從 而 減 小 開 關 時 間 和 開 關 損 耗 。 所 以 ， 較 小 的 柵 極 電 阻 增 強 了 器 件 工 作 的 耐 固 性 （ 可 避 免 dv/dt帶 來 的 誤 導 通 ） ， 但 與 此 同 時 ， 它 只 能 承 受 較 小 的 柵 極 噪 聲 ， 并 可 能 導 致 柵 極 － 發(fā) 射 極 電 容 和 柵 極 驅 動 導 線 的 寄 生 電 感 產 生 振 蕩 。 3） 柵 極 驅 動 功 率 IGBT要 消 耗 來 自 柵 極 電 源 的 功 率 ， 其 功 率 受 柵 極 驅 動 負 、 正 偏 置 電 壓 的 差 值 Δ UGE、 柵 極 總 電 荷 QG和 工 作 頻 率 fs的 影 響 。 電 源 的 最 大 峰 值 電 流 IGPK為 ： 在 本 文 中 ， 我 們 將 對 幾 種 最 新 的 用 于 IGBT驅 動 的 集 成 電 路 做 一 個 詳 細 的 介 紹 ， 討 論 其 使 用 方 法 和 優(yōu) 缺 點 及 使 用 過 程 中 應 注 意 的 問 題 。 2 幾 種 用 于 IGBT驅 動 的 集 成 芯 片 2. 1 TLP250（ TOSHIBA公 司 生 產 ） 在 一 般 較 低 性 能 的 三 相 電 壓 源 逆 變 器 中 ， 各 種 與 電 流 相 關 的 性 能 控 制 ， 通 過 檢 測 直 流 母 線 上 流 入 逆 變 橋 的 直 流 電 流 即 可 ， 如 變 頻 器 中 的 自 動 轉 矩 補 償 、 轉 差 率 補 償 等 。 同 時 ， 這 一 檢 測 結 果 也 可 以 用 來 完 成 對 逆 變 單 元 中 IGBT實 現(xiàn) 過 流 保 護 等 功 能 。 因 此 在 這 種 逆 變 器 中 ， 對 IGBT驅 動 電 路 的 要 求 相 對 比 較 簡 單 ， 成 本 也 比 較 低 。 這 種 類 型 的 驅 動 芯 片 主 要 有 東 芝 公 司 生 產 的 TLP250， 夏 普 公 司 生 產 的 PC923等 等 。 這 里 主 要 針 對 TLP250做 一 介 紹 。 TLP250包 含 一 個 GaAlAs光 發(fā) 射 二 極 管 和 一 個 集 成 光 探 測 器 ， 8腳 雙 列 封 裝 結 構 。 適 合 于 IGBT或 電 力 MOSFET柵 極 驅 動 電 路 。 圖 2為 TLP250的 內 部 結 構 簡 圖 ， 表 1給 出 了 其 工 作 時 的 真 值 表 。 TLP250的 典 型 特 征 如 下 ： 1） 輸 入 閾 值 電 流 （ IF） ： 5 mA（ 最 大 ） ； 2） 電 源 電 流 （ ICC） ： 11 mA（ 最 大 ） ； 3） 電 源 電 壓 （ VCC） ： 10～ 35 V； 4） 輸 出 電 流 （ IO） ： ± 0.5 A（ 最 小 ） ； 5） 開 關 時 間 （ tPLH /tPHL） ： 0.5 μ s（ 最 大 ） ； 6） 隔 離 電 壓 ： 2 500 Vpms（ 最 小 ） 。 表 2給 出 了 TLP250的 開 關 特 性 ， 表 3給 出 了 TLP250的 推 薦 工 作 條 件 。 注 ： 使 用 TLP250時 應 在 管 腳 8和 5間 連 接 一 個 0.1 μ F的 陶 瓷 電 容 來 穩(wěn) 定 高 增 益 線 性 放 大 器 的 工 作 ， 提 供 的 旁 路 作 用 失 效 會 損 壞 開 關 性 能 ， 電 容 和 光 耦 之 間 的 引 線 長 度 不 應 超 過 1 cm。 圖 3和 圖 4給 出 了 TLP250的 兩 種 典 型 的 應 用 電 路 。 在 圖 4中 ， TR1和 TR2的 選 取 與 用 于 IGBT驅 動 的 柵 極 電 阻 有 直 接 的 關 系 ， 例 如 ， 電 源 電 壓 為 24 V時 ， TR1和 TR2的 Icmax≥ 24/Rg。 圖 5給 出 了 TLP250驅 動 IGBT時 ， 1 200 V/200 A的 IGBT上 電 流 的 實 驗 波 形 （ 50 A/10 μ s） 。 可 以 看 出 ， 由 于 TLP250不 具 備 過 流 保 護 功 能 ， 當 IGBT過 流 時 ， 通 過 控 制 信 號 關 斷 IGBT， IGBT中 電 流 的 下 降 很 陡 ， 且 有 一 個 反 向 的 沖 擊 。 這 將 會 產 生 很 大 的 di/dt和 開 關 損 耗 ， 而 且 對 控 制 電 路 的 過 流 保 護 功 能 要 求 很 高 。 TLP250使 用 特 點 ： 1） TLP250輸 出 電 流 較 小 ， 對 較 大 功 率 IGBT實 施 驅 動 時 ， 需 要 外 加 功 率 放 大 電 路 。 2） 由 于 流 過 IGBT的 電 流 是 通 過 其 它 電 路 檢 測 來 完 成 的 ， 而 且 僅 僅 檢 測 流 過 IGBT的 電 流 ， 這 就 有 可 能 對 于 IGBT的 使 用 效 率 產 生 一 定 的 影 響 ， 比 如 IGBT在 安 全 工 作 區(qū) 時 ， 有 時 出 現(xiàn) 的 提 前 保 護 等 。 3） 要 求 控 制 電 路 和 檢 測 電 路 對 于 電 流 信 號 的 響 應 要 快 ， 一 般 由 過 電 流 發(fā) 生 到 IGBT可 靠 關 斷 應 在 10 μ s以 內 完 成 。 4） 當 過 電 流 發(fā) 生 時 ， TLP250得 到 控 制 器 發(fā) 出 的 關 斷 信 號 ， 對 IGBT的 柵 極 施 加 一 負 電 壓 ， 使 IGBT硬 關 斷 。 這 種 主 電 路 的 dv/dt比 正 常 開 關 狀 態(tài) 下 大 了 許 多 ， 造 成 了 施 加 于 IGBT兩 端 的 電 壓 升 高 很 多 ， 有 時 就 可 能 造 成 IGBT的 擊 穿 。 2.2 EXB8..Series（ FUJI ELECTRIC公 司 生 產 ） 隨 著 有 些 電 氣 設 備 對 三 相 逆 變 器 輸 出 性 能 要 求 的 提 高 及 逆 變 器 本 身 的 原 因 ， 在 現(xiàn) 有 的 許 多 逆 變 器 中 ， 把 逆 變 單 元 IGBT的 驅 動 與 保 護 和 主 電 路 電 流 的 檢 測 分 別 由 不 同 的 電 路 來 完 成 。 這 種 驅 動 方 式 既 提 高 了 逆 變 器 的 性 能 ， 又 提 高 了 IGBT的 工 作 效 率 ， 使 IGBT更 好 地 在 安 全 工 作 區(qū) 工 作 。 這 類 芯 片 有 富 士 公 司 的 EXB8..Series、 夏 普 公 司 的 PC929等 。 在 這 里 ， 我 們 主 要 針 對 EXB8..Series做 一 介 紹 。 EXB8..Series集 成 芯 片 是 一 種 專 用 于 IGBT的 集 驅 動 、 保 護 等 功 能 于 一 體 的 復 合 集 成 電 路 。 廣 泛 用 于 逆 變 器 和 電 機 驅 動 用 變 頻 器 、 伺 服 電 機 驅 動 、 UPS、 感 應 加 熱 和 電 焊 設 備 等 工 業(yè) 領 域 。 具 有 以 下 的 特 點 ： 1） 不 同 的 系 列 （ 標 準 系 列 可 用 于 達 到 10 kHz開 關 頻 率 工 作 的 IGBT， 高 速 系 列 可 用 于 達 到 40 kHz開 關 頻 率 工 作 的 IGBT） 。 2） 內 置 的 光 耦 可 隔 離 高 達 2 500 V/min的 電 壓 。 3） 單 電 源 的 供 電 電 壓 使 其 應 用 起 來 更 為 方 便 。 4） 內 置 的 過 流 保 護 功 能 使 得 IGBT能 夠 更 加 安全 地 工 作 。 5） 具 有 過 流 檢 測 輸 出 信 號 。 6） 單 列 直 插 式 封 裝 使 得 其 具 有 高 密 度 的 安 裝 方 式 。 常 用 的 EXB8..Series 主 要 有 ： 標 準 系 列 的 EXB850和 EXB851， 高 速 系 列 的 EXB840和 EXB841。 其 主 要 應 用 場 合 如 表 4所 示 。 注 ： 1） 標 準 系 列 ： 驅 動 電 路 中 的 信 號 延 遲 ≤ 4 μ s 2） 高 速 系 列 ： 驅 動 電 路 中 的 信 號 延 遲 ≤ 1.5 μ s 圖 6給 出 了 EXB8..Series的 功 能 方 框 圖 。 表 5給 出 了 EXB8..Series的 電 氣 特 性 。 表 6給 出 了 EXB8..Series工 作 時 的 推 薦 工 作 條 件 。 表 6 EXB8..Series工 作 時 的 推 薦 工 作 條 件 圖 7給 出 了 EXB8..Series的 典 型 應 用 電 路 。 EXB8..Series使 用 不 同 的 型 號 ， 可 以 達 到 驅 動 電 流 高 達 400 A， 電 壓 高 達 1 200 V的 各 種 型 號 的 IGBT。 由 于 驅 動 電 路 的 信 號 延 遲 時 間 分 為 兩 種 ： 標 準 型 （ EXB850、 EXB851） ≤ 4 μ s， 高 速 型 （ EXB840、 EXB841） ≤ 1 μ s， 所 以 標 準 型 的 IC適 用 于 頻 率 高 達 10 kHz的 開 關 操 作 ， 而 高 速 型 的 IC適 用 于 頻 率 高 達 40 kHz的 開 關 操 作 。 在 應 用 電 路 的 設 計 中 ， 應 注 意 以 下 幾 個 方 面 的 問 題 ： — — IGBT柵 ? 射 極 驅 動 電 路 接 線 必 須 小 于 1 m； — — IGBT柵 ? 射 極 驅 動 電 路 接 線 應 為 雙 絞 線 ； — — 如 想 在 IGBT集 電 極 產 生 大 的 電 壓 尖 脈 沖 ， 那 么 增 加 IGBT柵 極 串 聯(lián) 電 阻 （ Rg） 即 可 ； — — 應 用 電 路 中 的 電 容 C1和 C2取 值 相 同 ， 對 于 EXB850和 EXB840來 說 ， 取 值 為 33 μ F， 對 于 EXB851和 EXB841來 說 ， 取 值 為 47 μ F。 該 電 容 用 來 吸 收 由 電 源 接 線 阻 抗 而 引 起 的 供 電 電 壓 變 化 。 它 不 是 電 源 濾 波 器 電 容 。 EXB8..Series的 使 用 特 點 ： 1） EXB8..Series的 驅 動 芯 片 是 通 過 檢 測 IGBT在 導 通 過 程 中 的 飽 和 壓 降 Uce來 實 施 對 IGBT的 過 電 流 保 護 的 。 對 于 IGBT的 過 電 流 處 理 完 全 由 驅 動 芯 片 自 身 完 成 ， 對 于 電 機 驅 動 用 的 三 相 逆 變 器 實 現(xiàn) 無 跳 閘 控 制 有 較 大 的 幫 助 。 2） EXB8..Series的 驅 動 芯 片 對 IGBT過 電 流 保 護 的 處 理 采 用 了 軟 關 斷 方 式 ， 因 此 主 電 路 的 dv/dt比 硬 關 斷 時 小 了 許 多 ， 這 對 IGBT的 使 用 較 為 有 利 ， 是 值 得 重 視 的 一 個 優(yōu) 點 。 3） EXB8..Series驅 動 芯 片 內 集 成 了 功 率 放 大 電 路 ， 這 在 一 定 程 度 上 提 高 了 驅 動 電 路 的 抗 干 擾 能 力 。 4） EXB8..Series的 驅 動 芯 片 最 大 只 能 驅 動 1 200V /300 A的 IGBT， 并 且 它 本 身 并 不 提 倡 外 加 功 率 放 大 電 路 ， 另 外 ， 從 圖 7中 可 以 看 出 ， 該 類 芯 片 為 單 電 源 供 電 ， IGBT的 關 斷 負 電 壓 信 號 是 由 芯 片 內 部 產 生 的－ 5 V信 號 ， 容 易 受 到 外 部 的 干 擾 。 因 此 對 于 300 A以 上 的 IGBT或 者 IGBT并 聯(lián) 時 ， 就 需 要 考 慮 別 的 驅 動 芯 片 ， 比 如 三 菱 公 司 的 M57962L等 。 圖 8給 出 了 EXB841驅 動 IGBT時 ， 過 電 流 情 況 下 的 實 驗 波 形 。 可 以 看 出 ， 正 如 前 面 介 紹 過 的 ， 由 于 EXB8..Series芯 片 內 部 具 備 過 流 保 護 功 能 ， 當 IGBT過 流 時 ， 采 用 了 軟 關 斷 方 式 關 斷 IGBT， 所 以 IGBT中 電 流 是 一 個 較 緩 的 斜 坡 下 降 ， 這 樣 一 來 ， IGBT關 斷 時 的 di/dt明 顯 減 少 ， 這 在 一 定 程 度 上 減 小 了 對 控 制 電 路 的 過 流 保 護 性 能 的 要 求 。 2. 3 M579..Series（ MITSUBISHI公 司 生 產 ） M579..Series是 日 本 三 菱 公 司 為 IGBT驅 動 提 供 的 一 種 IC系 列 ， 表 7給 出 了 這 種 系 列 的 幾 種 芯 片 的 基 本 應 用 特 性 （ 其 中 有 ＊ 者 為 芯 片 內 部 含 有 Booster電 路 ） 。 在 M579..Series中 ， 以 M57962L為 例 做 出 一 般 的 解 釋 。 隨 著 逆 變 器 功 率 的 增 大 和 結 構 的 復 雜 ， 驅 動 信 號 的 抗 干 擾 能 力 顯 得 尤 為 重 要 ， 比 較 有 效 的 辦 法 就 是 提 高 驅 動 信 號 關 斷 IGBT時 的 負 電 壓 ， M57962L的 負 電 源 是 外 加 的 （ 這 點 和 EXB8..Series不 同 ） ， 所 以 實 現(xiàn) 起 來 比 較 方 便 。 它 的 功 能 框 圖 和 圖 6所 示 的 EXB8..Series功 能 框 圖 極 為 類 似 ， 在 此 不 再 贅 述 。 圖 9給 出 了 M57962L在 驅 動 大 功 率 IGBT模 塊 時 的 典 型 電 路 圖 。 在 這 種 電 路 中 ， NPN和 PNP構 成 的 電 壓 提 升 電 路 選 用 快 速 晶 體 管 （ tf≤ 200 ns） ， 并 且 要 有 足 夠 的 電 流 增 益 以 承 載 需 要 的 電 流 。 在 使 用 M57962L驅 動 大 功 率 IGBT模 塊 時 ， 應 注 意 以 下 三 個 方 面 的 問 題 ： 1） 驅 動 芯 片 的 最 大 輸 出 電 流 峰 值 受 柵 極 電 阻 Rg的 最 小 值 限 制 ， 例 如 ， 對 于 M57962L來 說 ， Rg的 允 許 值 在 5 Ω 左 右 ， 這 個 值 對 于 大 功 率 的 IGBT來 說 高 了 一 些 ， 且 當 Rg較 高 時 ， 會 引 起 IGBT的 開 關 上 升 時 間 td(on)、 下 降 時 間 td(off)以 及 開 關 損 耗 的 增 大 ， 在 較 高 開 關 頻 率 （ 5 kHz以 上 ） 應 用 時 ， 這 些 附 加 損 耗 是 不 可 接 受 的 。 2） 即 便 是 這 些 附 加 損 耗 和 較 慢 的 開 關 時 間 可 以 被 接 受 ， 驅 動 電 路 的 功 耗 也 必 須 考 慮 ， 當 開 關 頻 率 高 到 一 定 程 度 時 （ 高 于 14 kHz） ， 會 引 起 驅 動 芯 片 過 熱 。 3） 驅 動 電 路 緩 慢 的 關 斷 會 使 大 功 率 IGBT模 塊 的 開 關 效 率 降 低 ， 這 是 因 為 大 功 率 IGBT模 塊 的 柵 極 寄 生 電 容 相 對 比 較 大 ， 而 驅 動 電 路 的 輸 出 阻 抗 不 夠 低 。 還 有 ， 驅 動 電 路 緩 慢 的 關 斷 還 會 使 大 功 率 IGBT模 塊 需 要 較 大 的 吸 收 電 容 。 以 上 這 三 種 限 制 可 能 會 產 生 嚴 重 的 后 果 ， 但 通 過附 加 的 Booster電 路 都 可 以 加 以 克 服 ， 如 圖 9所 示 。 從 圖 10（ a） 可 以 看 出 ， 在 IGBT過 流 信 號 輸 出 以 后 ， 門 極 電 壓 會 以 一 個 緩 慢 的 斜 率 下 降 。 圖 10（ b） 及 圖 10（ c） 給 出 了 IGBT短 路 時 的 軟 關 斷 過 程 （ 集 電 極 － 發(fā) 射 極 之 間 的 電 壓 uCE和 集 電 極 電 流 iC的 軟 關 斷 波 形 ） 。 3 結 語 隨 著 電 力 電 子 技 術 的 快 速 發(fā) 展 ， 三 相 逆 變 器 的 應 用 變 得 非 常 廣 泛 。 近 年 來 ， 隨 著 IGBT制 造 技 術 的 提 高 ， 相 繼 出 現(xiàn) 了 電 壓 等 級 越 來 越 高 、 額 定 功 率 越 來 越 大 的 單 管 、 兩 單 元 IGBT模 塊 及 六 單 元 IGBT模 塊 ， 同 時 性 能 價 格 比 的 提 高 使 得 IGBT在 三 相 逆 變 器 的 設 計 中 占 有 很 大 的 比 重 ， 成 為 許 多 設 計 人 員 首 選 的 功 率 器 件 。 隨 之 而 來 的 是 IGBT的 驅 動 芯 片 也 得 到 了 很 大 的 發(fā) 展 ， 設 計 人 員 、 生 產 廠 家 都 給 予 了 高 度 重 視 ， 小 型 化 、 多 功 能 集 成 化 成 為 人 們 不 斷 追 求 的 目 標 。 相 信 隨 著 制 造 技 術 的 發(fā) 展 ， 將 會 研 制 出 更 多 更 好 的 IGBT驅 動 芯 片 ， 并 得 到 廣 泛 的 應 用 。 |
