单电源IGBT驱动电路设计

 单电源IGBT驱动电路设计

 随着电力电子技术的飞速发展，IGBT的应用日益广泛，而IGBT应用的关健问题是其驱动电路和保护电路的合理设计。驱动电路设计不好，常会造成IGBT工作在放大区，短时承受很大的功耗导致击穿失效，或者使lGBT关断不迅速，与其他IGBT换流时产生换流失败，导致直流侧电源短路而严重损坏。
  目前，最为常用的几种IGBT驱动模块电路在实际应用中都有其局限性：日本富士公司的EXB系列仅需单电源供电，但负栅压过低，在高压电路中会降低IGBT工作的可靠性，并且没有短路软关断的封闭保护功能；三菱的M579系列在工作过程中需双电源(+15 V，-10 V)供电，而且它和EXB系列内部均无隔离电源，若要驱动多组IGBT，需外接隔离电源；美国IR公司的IR2110虽具有自举浮动电源，只用一路电源即可驱动多个功率器件，但是它本身不能产生负偏压，容易造成桥臂短路，不适用于直接驱动中、大功率IGBT。
  本文提出一种新型的驱动电路，它采用单电源供电，能够产生负栅压，使用脉冲变压器隔离，无需提供单独的浮地电源便可产生两路脉宽可调的驱动脉冲，并且还具备各种保护功能。
 
  1. 工作原理
  本研究提出的IGBT驱动电路原理图，如图1所示。该电路采用一组15 V的稳压电源，脉冲变压器初级绕组并接2只反向串联的稳压二极管，其稳压值与正负指压相同，防止电路中出现高压尖峰。3个N沟道MOS管VQ5、VQ6、VQ7的驱动脉障Us、Ux、Uy的波形，如图2所示。脉冲变压器的2个次级绕组T2、T4分别驱动2组IGBT模块。栅极19体育官方电阻Rg的选择必须合适，过高则增加关断损耗，过低则使关断过电压加剧。合适的Cge有利于抑制dic/dt：Cge太大，开通时间延时；Cge太小，对抑制dic/dt效果不明显。井联栅射间电阻Rge可使栅射电压免受IGBT和电路寄生参数的干扰，防止器件误导通。另外，IGBT的输入阻抗呈容性，因此对栅极电荷集聚很敏感，要有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
  通常情况下，由于变压器不能传递直流分量，使用脉冲变压器隔离的驱动电路不能实现任意脉宽输出，从而导致其应用的局限性；而光电耦合驱动器双侧都是有源的，其提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制。本电路输出的驱动脉冲正、负栅压数值相等(15V)，且带有死区，其中死区时间及脉冲宽度均可调。

图1  IGBT驱动电路原理图

图2  MOSFET驱动波形

  驱动电路的工作过程分为开通、死区和关断3个阶段：
  (1)开关模态[t0，t1]。Ux为高电平，Uy为低电平，当Ux电压幅偵升高到大于VQ6管子的阈值电压UGS(th)时，VQ6被触发导通，Uw电平为零。变压器初级绕组T1的电压极性为上高下低12 V，绕组T2两端将产生相同极性的感应电势Uge。
  (2)开关模态[t1，t2]。Ux、Uy同为低电平，进入死区时同，T6随之关断。此时，Us与Vcc的电压差额升高到大于T5管子的阈值电压UGS(th)时，VQ5被触发导通，变压器初级绕组L1的电流经过D2、T5续流。二极管D2、D3避免了短路。Uw电压等于Vcc。变压器初级绕组T1上下端的电压差额为零，绕组T2两端的感应电势Uge同为零。
  (3)开关模态[t2，t3]。Ux为低电平，Uy为高电平，此时T6关断、T7导通。绕组T3上电压极性为上低下高15 V，与绕组T1发生感应后产生相同极性的感应电势，Uw电压将在Vcc的基础上再叠加Vcc变成30 V。绕组T1的电压极性为上低下高15 V，绕组T2两端将产生感应电势Uge=-15 V。

 
图3  MOSFET驱动脉冲产生电路原理图

  3个MOSFET驱动脉冲产生电路原理图，如图3所示。该电路首先由PWM芯片产生两路相差180°、带有死区的驱动脉冲Ua、Ub然后分别经过推挽电路将驱动信号的功率放大后产生Ux、Uy。同时，Ua、Ub经过或非门后提取出死区时的电压Uc。Uc与Vcc共同对C1进行充放电。[t0、t1]时，Vcc通过D1、R1对C1充电，R1非常小，充电过程十分迅速，Ux等于Vcc；[t1、t2]时，Ug变为高电平，通过R1、R2放电，由于R219体育官方于R1，放电非常缓慢，Ux在Vcc的基础上再叠加一个高电平，使Ug有足够的驱动能力驱动VQ5。
  基于PWM芯片可以实现限流保护、软启动控制、死区控制及保护控制等功能。常用的PWM芯片(如SG3525、TLA94等)片内都有误差放大器，利用片内提供的基准源，由电阻分压给误差放大器的低端以提供比较基准，误差放大器的高端接入电流反馈，形成准PI调节，具有很高的稳压、稳流精度。
 
  2. 实验结果
  试验样机相关情况如下：将市电整流成15V的直流电压，经由7815稳压后为驱动电路提供电源。工作频率为23.8 kHz，即工作周期为42µs。VQ5、VQ6、VQ7为N沟道MOS管IRF630。
  驱动电路实测波形，如图4所示。PWM芯片SG3525输出的两路脉冲Ua、Ub如图4(a)所示；经推挽电路后的两路驱动脉冲Ux、Uy，如图4(b)所示，这两组波形的相位都互差180°。死区脉冲Uc和VQ5的门极驱动脉冲Ux，如图4(c)所示，死区时间为2.6µs。VQ6的漏极电压Uw和变压器副边T2的驱动电压Uge，如图4(d)所示。另一种脉宽的驱动电压Uge，如图4(e)所示，波形表明，脉冲变压器能为IGBT提供良好的、可变的正向栅压(+15 V)和反向栅压(-15 V)。

(e)调整脉宽后的移动电压
图4  驱动电路实测波形
 

  3. 结束语
  本本提出了一种单电源的IGBT新型驱动电路，其主要特点是，采用脉冲变压器进行电气隔离，仅使用一组7815作为稳压电源，可提供良好的正、反向栅压，无需提供单独的浮地电源便可产生两路驱动脉冲。基于PWM芯片可以实现死区时同、工作频率及脉宽可调，井带有软启动、限流及稳压等保护功能，且电路简单实用。实验结果证明了这种方案的合理性和有效性。