igbt高频逆变电源设计

igbt高频逆变电源设计内容摘要：

管上的功耗大线性电源的效率低，通常只能达到 30%∽ 60%。 12 开关电源 在电力电子装置中一般都由电力电子器件组成的桥路作为主回路，要求多路独立的直流电源，如采用线性电源，整个装置的体积、重量非常大，那就需要体积小的可靠电源于是引进了直流开关稳压电源。 开关稳压电源也是电力电子技术的主要应用领域之一，采用的主要电压变换电路是直直换流器或其派生电路，电路中的主调节元件作为开关使用，工作在非线性区或完全导通或完全截止，这就使得器件上的功耗很小，与线性电源相比开关电源有两个主要优点： （ 1） 主调节半导体元件工作在开关方式从而功耗明显减小，使得开关电源的效率较高 70%∽ 90%，此外在开关工作方式，半导体元件所能处理的功率比工作在线性区时大得多。 （ 2） 由于采用高频隔离变压器取代线性电源中低频变压器，开关电源的重量和体积比同功率的线性电源小得多。 （ 3） 稳压范围宽。 （ 4） 安全可靠。 直流开关电源是利用直流变换器且输出电压恒定或按要求变化的直流电源其输入是直流电也可是交流电直流开关电源具有以下特征 ： (1） 电源电压和负载在规定的范围变化时输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化。 (2） 输出与输入间有好的电气隔离。 (3)可以输出单路或多路电压各路之间有电气隔离。 栅极驱动电压 由 IGBT 的结构及对驱动电路的要求可知，当栅极驱动电压大于门槛电压时，IGBT 开通，当栅极驱动电压为零时， IGBT 关断。 但在实际应用中并不这么简单，IGBT 栅极驱动电压是 IGBT 驱动电路中的重要参量，它对驱动电路的若干性能产生影响如表 41所示。 表 41 IGBT栅极驱动与器件特性的关系 特性条件 Uce Ton Eon Ton Eoff 负载短路能力 dI/dt +Uge 增大 降低 降低 ———— 降低 增加 Ugs 增大 ———— ———— 略减小 ———— 降低 Rg 增大 ———— 增加 增加 ———— 降低 当正向驱动电压 +UGE增大时，导通压降降低，开通时间和开通损耗也降低，但 IGBT 承受短路或过流的时间减小， dU/dt、 dI/dt 增加。 这样对其安全不利，因此要综合考虑一般选 +12∽ 17V 为好。 在关断时为尽快抽取 PNP 管中的存储电荷，必须加一负偏压 UGE，但它受 IGBT 的 G E间最大反向耐压的限制，一般取 2 13 ∽ 10V 为好。 另外 IGBT 关栅电压取为负值还有如下所述原因，在半桥电路上，开通一只 IGBT 将会在另外一只管子两端产生一个比较高的 dv/dt，这个 dv/dt可能引起第二个器件的瞬间导通而产生附加损耗。 驱动电路的阻抗包括栅极驱动电路的内阻抗和栅极串联电阻 Rg 两部分，它们对驱动波形的上升、下降速率 、 开通损耗及尖峰电压都会产生影响。 在驱动电压一定的情况下 Rg 越小 ， IGBT 开通越快 ， 开通损耗也越小 ， 但在开通过程中如有正在续流二极管的反向恢复电流和吸收电容器的放电电流 ， 则开通越快 IGBT 承受的峰值电流也就越大 ， 甚至急剧上升导致 IGBT 或续流二极管损坏 ， 此时应降低栅极驱动脉冲的上升速率 ， 即增加栅极串联电阻值 ， 抑制该电流的峰值 ， 由此可看出开通过程中的峰值电流可以通过栅极串联电阻控制在任意值。 栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对 IGBT 关断过程的影响相对于开通来说要小 ， 一些栅极串联电阻小有利于加快关断速度和减小关断损耗 ， 也有利于避免关断时集电极电压的 dv/dt 过高 ， 造成 IGBT 误开通 ， 但 Rg 过小会由于集电极电流下降的 di/dt 过大产生较大的集电极电压尖峰。 另外 ， 栅极串联电阻的阻值对驱动脉冲的波形也有较大的影响 ， Rg 过小会造成驱动脉冲振荡 ， 过大时 ， 驱动波形的前后沿会发生延迟或变缓。 由以上分析可知 Rg 在 IGBT 的驱动过程中起着关 键作用 ， 若想使 IGBT 工作在最佳状态必须对 Rg折中考虑。 表 42 推荐的栅极电阻值 额定电压 600V 额定电压 1200V 额定电流（ A） 100 150 200 300 400 600 800 25 50 100 150 200 300 400 栅极 电阻 高频 25 15 10 51 25 3 低频 150 75 51 30 20 15 10 150 75 30 20 15 10 IGBT 的输入电容 CCE随着其额定电流容 量的增加而增大 ， 为了保持相同驱动脉冲前后沿速率 ， 对于电流容量大的 IGBT 元件应提供较大的前后沿充电电流 ，为此栅极串联电阻的值应随着 IGBT 电流容量的增加而减小 ， 一般 Rg 的值按表42 中推荐的值选。 取高频一般为大于 15KHz 的工作频率 ， 低频为小于 5KHz 的工作频率 ， 如工作频率在这两个频率之间可取折衷值。 由以上分析可知 Rg 的选择对 IGBT 的工作性能相当重要 ， 它影响着 IGBT 的开通与关断过程 ， Rg 小时可减小开关时间与开关损耗 ， 但浪涌电压高 ， Rg 大时则相反。 在实际应用时一般先根据厂家手册上推荐的数据在 1 倍与 10 倍之间选取 ， 然后经试验波形来分析确定。 在开关频率低时可选的偏大些 ， 本电路中所用 14 的 IGBT 为 1200V/400A 的管子工作频率为 10KHz， 按上表的推荐值应选 ∽ Ω 左右 ， 在实际电路中经过调节最终确定合适值 Rg=。 IGBT 属于电压控制型器件 ， 当栅射极间加有高压时很容易受外界干扰 ， 使栅射电压超过 Uge（ th） 引起器件误导通 ， 尤其在有上下桥臂的电路中 ， 易造成同臂导通。 为防止这类现象发生在栅射间应接一只栅射电阻 Rge， 当 Rge取值偏小时会使器件的开通时间变大 ， 降低了开关频率 ， 增大开通损耗。 一般 Rge 取值为 Rge=1000∽ 5000 Rg， 而且应将 Rge 并联在栅极和射极最近处为宜 ， 此外为防止栅极驱动电路出现高压尖峰 ， 最好在栅射极间并接两只反向串联的稳压管 ， 其值与开栅电压 +Uge 和关栅电压 Uge相同而方向相反。 如图 41所示 ： 图 41栅射电阻 图 42输出级电路 由 IGBT 的结构特性可知，驱动一个 IGBT 就是驱动一个容抗网络，采用如图 15 42 所示的互补电路作为驱动电路的输出级电路，这种输出电路可降 低驱动电路输出阻抗，缩短关断时间，开通时间与关断时间的差别也通过互补电路而消失，而且由于该驱动方式增大驱动功率适合于大功率管的驱动。 驱动电路的实现 根据以上对 IGBT 结构特性对驱动电路要求及驱动电路中主要参数对驱动电路性能影响的分析 ,研究设计了一个适合 1200V/400A 的 IGBT 的驱动电路 ,如图43 所示 : 图 43驱动电路图 驱动电源由 20V 电源供电 ,然后通过电阻 R4和稳压管 VZ1 分压 ,VZ1 为 稳压管 ,得到 IGBT 射极基准电压 ,接到 IGBT 的发射极 ,输入输出隔离采用快速光电耦合器 TLP550,然后接一个高频管 Q1,作为推挽输出晶体管 Q2 和 Q3 的基极驱动电路 ,输出级电路要输出一定的驱动电流 ,有一定的带负载能力 ,开通关断时间短满足 IGBT 对上升下降沿的要求 ,所以输出级的推挽晶体管 Q Q3 应选择大功率高频管 ， 推挽输出晶体管的输出经门极电阻 Rg接到 IGBT 的门极 ， 为防止门极干扰引起误动作 ， 在栅射极并接栅射电阻 Rge 和反串联稳压管 VZ2 和 VZ3。 集成化 IGBT专用驱动器 介绍 现在，大电流高电压的 IGBT 己模块化，它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外，现在己制造出集成化的 IGBT 专 用驱动电路。 其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。 ExB841 的驱动原理主要有三个工作过程 :正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。 14 和巧两脚间外加 PWM 控制信号，当触发脉冲信号施加于 14和巧引脚时，在 GE 两端产生约 16V 的 IGBT 开通电压。 当触发控制脉冲撤销时，在 GE 两端产生 的 IGBT 关断电压。 过流保护动作过程是根据 IGBT 的 CE极间电压 Uce 的大小判定是否过流而进行保护的。 本文基于 EXB841 设计 IGBT 的驱动电路如图 46所示，包括外部负栅压成型电路、过流检测电路。 16 (1)外部负 栅压成型电路 针对负偏压不足的问题，设计了外部负栅压成型电路。 用外接稳压管 Vw，代替驱动芯片内部的稳压管 Vz，在稳压管两端并联了两个电容值分别为 105uf和 的去藕滤波电容。 为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅射极间并联了反向串联的 16v(V02)和 8V(V03)稳压二极管。 为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小 IGBT 集电极的电压尖脉冲，需要在栅极串联电阻 Rg。 栅极串连电阻 Rg要恰当， Rg 过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高。 Rg 过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大。 优化 电路采用了不对称的开启和关断方法。 在 IGBT 开通时， ExB841 的 3脚提供 +16V 的电压，电阻 Rg2 经二极管 Vd1 和 Rg1 并联 ,使 Rg 值较小。 关断时， EXB841 3 脚电平为 0，优化驱动电路在 IGBT 的 E 极提供 8V 电压，使二极管 V01 截止， Rg=Rg1，具有较大值。 并在栅射极间并联大电阻，防止器件误导通。 图 46 EXB841驱动电路 (2)过流检测电路 偏高的保护动作 阈 值难起到有效地保护作用，必须合适设置此 阈值。 但由于器件压降的分散性和温度影响，又不宜设置过低。 为了适当降低动作阑值，已经提出了采 用高压降检测二极管或采用串联 反向稳压二极管的方法。 该方法不能在提高了负偏压的情况下使用， 为正常导通时， IGBT 约有 左右的压降，负偏压的提高使 6 脚在正常情况下检测到的电平将达到 12V 左右，随着 IGBT 的工作电流增大，强电磁干扰会造成 EXB841 误报警，出现虚假过流。 本优化电路采用可调的电流传感器。 L为磁平衡式霍尔电流传感器，可测量交流或直流电流，反应时间小于 1us，输出电压 电流有很好的线性关系。 该电路通过 17 调节滑动电阻 R。