【文章內(nèi)容簡介】 管上的功耗大線性電源的效率低，通常只能達(dá)到 30%∽ 60%。 12 開關(guān)電源 在電力電子裝置中一般都由電力電子器件組成的橋路作為主回路，要求多路獨(dú)立的直流電源，如采用線性電源，整個(gè)裝置的體積、重量非常大，那就需要體積小的可靠電源于是引進(jìn)了直流開關(guān)穩(wěn)壓電源。 開關(guān)穩(wěn)壓電源也是電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，采用的主要電壓變換電路是直直換流器或其派生電路，電路中的主調(diào)節(jié)元件作為開關(guān)使用，工作在非線性區(qū)或完全導(dǎo)通或完全截止，這就使得器件上的功耗很小，與線性電源相比開關(guān)電源有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 主調(diào)節(jié)半導(dǎo)體元件工作在開關(guān)方式從而功耗明顯減小，使得開關(guān)電源的效率較高 70%∽ 90%，此外在開關(guān)工作方式，半導(dǎo)體元件所能處理的功率比工作在線性區(qū)時(shí)大得多。 （ 2） 由于采用高頻隔離變壓器取代線性電源中低頻變壓器，開關(guān)電源的重量和體積比同功率的線性電源小得多。 （ 3） 穩(wěn)壓范圍寬。 （ 4） 安全可靠。 直流開關(guān)電源是利用直流變換器且輸出電壓恒定或按要求變化的直流電源其輸入是直流電也可是交流電直流開關(guān)電源具有以下特征 ： (1） 電源電壓和負(fù)載在規(guī)定的范圍變化時(shí)輸出電壓應(yīng)保持在允許的范圍內(nèi)或按要求變化 。 (2） 輸出與輸入間有好的電氣隔離 。 (3)可以輸出單路或多路電壓各路之間有電氣隔離 。 柵極驅(qū)動(dòng)電壓 由 IGBT 的結(jié)構(gòu)及對驅(qū)動(dòng)電路的要求可知，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓大于門檻電壓時(shí)，IGBT 開通，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為零時(shí)， IGBT 關(guān)斷。但在實(shí)際應(yīng)用中并不這么簡單，IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)電壓是 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路中的重要參量，它對驅(qū)動(dòng)電路的若干性能產(chǎn)生影響如表 41所示。 表 41 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)與器件特性的關(guān)系 特性條件 Uce Ton Eon Ton Eoff 負(fù)載短路能力 dI/dt +Uge 增大 降低 降低 ———— 降低 增加 Ugs 增大 ———— ———— 略減小 ———— 降低 Rg 增大 ———— 增加 增加 ———— 降低 當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓 +UGE增大時(shí)，導(dǎo)通壓降降低，開通時(shí)間和開通損耗也降低，但 IGBT 承受短路或過流的時(shí)間減小， dU/dt、 dI/dt 增加。這樣對其安全不利，因此要綜合考慮一般選 +12∽ 17V 為好。在關(guān)斷時(shí)為盡快抽取 PNP 管中的存儲電荷，必須加一負(fù)偏壓 UGE，但它受 IGBT 的 G E間最大反向耐壓的限制，一般取 2 13 ∽ 10V 為好。另外 IGBT 關(guān)柵電壓取為負(fù)值還有如下所述原因，在半橋電路上，開通一只 IGBT 將會在另外一只管子兩端產(chǎn)生一個(gè)比較高的 dv/dt，這個(gè) dv/dt可能引起第二個(gè)器件的瞬間導(dǎo)通而產(chǎn)生附加損耗。 驅(qū)動(dòng)電路的阻抗包括柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗和柵極串聯(lián)電阻 Rg 兩部分，它們對驅(qū)動(dòng)波形的上升、下降速率 、 開通損耗及尖峰電壓都會產(chǎn)生影響。 在驅(qū)動(dòng)電壓一定的情況下 Rg 越小 ， IGBT 開通越快 ， 開通損耗也越小 ， 但在開通過程中如有正在續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容器的放電電流 ， 則開通越快 IGBT 承受的峰值電流也就越大 ， 甚至急劇上升導(dǎo)致 IGBT 或續(xù)流二極管損壞 ， 此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)脈沖的上升速率 ， 即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻值 ， 抑制該電流的峰值 ， 由此可看出開通過程中的峰值電流可以通過柵極串聯(lián)電阻控制在任意值 。 柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對 IGBT 關(guān)斷過程的影響相對于開通來說要小 ， 一些柵極串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速度和減小關(guān)斷損耗 ， 也有利于避免關(guān)斷時(shí)集電極電壓的 dv/dt 過高 ， 造成 IGBT 誤開通 ， 但 Rg 過小會由于集電極電流下降的 di/dt 過大產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰 。 另外 ， 柵極串聯(lián)電阻的阻值對驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有較大的影響 ， Rg 過小會造成驅(qū)動(dòng)脈沖振蕩 ， 過大時(shí) ， 驅(qū)動(dòng)波形的前后沿會發(fā)生延遲或變緩 。 由以上分析可知 Rg 在 IGBT 的驅(qū)動(dòng)過程中起著關(guān) 鍵作用 ， 若想使 IGBT 工作在最佳狀態(tài)必須對 Rg折中考慮 。 表 42 推薦的柵極電阻值 額定電壓 600V 額定電壓 1200V 額定電流（ A） 100 150 200 300 400 600 800 25 50 100 150 200 300 400 柵極 電阻 高頻 25 15 10 51 25 3 低頻 150 75 51 30 20 15 10 150 75 30 20 15 10 IGBT 的輸入電容 CCE隨著其額定電流容 量的增加而增大 ， 為了保持相同驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率 ， 對于電流容量大的 IGBT 元件應(yīng)提供較大的前后沿充電電流 ，為此柵極串聯(lián)電阻的值應(yīng)隨著 IGBT 電流容量的增加而減小 ， 一般 Rg 的值按表42 中推薦的值選 。 取高頻一般為大于 15KHz 的工作頻率 ， 低頻為小于 5KHz 的工作頻率 ， 如工作頻率在這兩個(gè)頻率之間可取折衷值 。 由以上分析可知 Rg 的選擇對 IGBT 的工作性能相當(dāng)重要 ， 它影響著 IGBT 的開通與關(guān)斷過程 ， Rg 小時(shí)可減小開關(guān)時(shí)間與開關(guān)損耗 ， 但浪涌電壓高 ， Rg 大時(shí)則相反 。 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般先根據(jù)廠家手冊上推薦的數(shù)據(jù)在 1 倍與 10 倍之間選取 ， 然后經(jīng)試驗(yàn)波形來分析確定 。 在開關(guān)頻率低時(shí)可選的偏大些 ， 本電路中所用 14 的 IGBT 為 1200V/400A 的管子工作頻率為 10KHz， 按上表的推薦值應(yīng)選 ∽ Ω 左右 ， 在實(shí)際電路中經(jīng)過調(diào)節(jié)最終確定合適值 Rg=。 IGBT 屬于電壓控制型器件 ， 當(dāng)柵射極間加有高壓時(shí)很容易受外界干擾 ， 使柵射電壓超過 Uge（ th） 引起器件誤導(dǎo)通 ， 尤其在有上下橋臂的電路中 ， 易造成同臂導(dǎo)通 。 為防止這類現(xiàn)象發(fā)生在柵射間應(yīng)接一只柵射電阻 Rge， 當(dāng) Rge取值偏小時(shí)會使器件的開通時(shí)間變大 ， 降低了開關(guān)頻率 ， 增大開通損耗 。 一般 Rge 取值為 Rge=1000∽ 5000 Rg， 而且應(yīng)將 Rge 并聯(lián)在柵極和射極最近處為宜 ， 此外為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰 ， 最好在柵射極間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管 ， 其值與開柵電壓 +Uge 和關(guān)柵電壓 Uge相同而方向相反 。 如圖 41所示 ： 圖 41柵射電阻 圖 42輸出級電路 由 IGBT 的結(jié)構(gòu)特性可知，驅(qū)動(dòng)一個(gè) IGBT 就是驅(qū)動(dòng)一個(gè)容抗網(wǎng)絡(luò)，采用如圖 15 42 所示的互補(bǔ)電路作為驅(qū)動(dòng)電路的輸出級電路，這種輸出電路可降 低驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗，縮短關(guān)斷時(shí)間，開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的差別也通過互補(bǔ)電路而消失，而且由于該驅(qū)動(dòng)方式增大驅(qū)動(dòng)功率適合于大功率管的驅(qū)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)以上對 IGBT 結(jié)構(gòu)特性對驅(qū)動(dòng)電路要求及驅(qū)動(dòng)電路中主要參數(shù)對驅(qū)動(dòng)電路性能影響的分析 ,研究設(shè)計(jì)了一個(gè)適合 1200V/400A 的 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路 ,如圖43 所示 : 圖 43驅(qū)動(dòng)電路圖 驅(qū)動(dòng)電源由 20V 電源供電 ,然后通過電阻 R4和穩(wěn)壓管 VZ1 分壓 ,VZ1 為 穩(wěn)壓管 ,得到 IGBT 射極基準(zhǔn)電壓 ,接到 IGBT 的發(fā)射極 ,輸入輸出隔離采用快速光電耦合器 TLP550,然后接一個(gè)高頻管 Q1,作為推挽輸出晶體管 Q2 和 Q3 的基極驅(qū)動(dòng)電路 ,輸出級電路要輸出一定的驅(qū)動(dòng)電流 ,有一定的帶負(fù)載能力 ,開通關(guān)斷時(shí)間短滿足 IGBT 對上升下降沿的要求 ,所以輸出級的推挽晶體管 Q Q3 應(yīng)選擇大功率高頻管 ， 推挽輸出晶體管的輸出經(jīng)門極電阻 Rg接到 IGBT 的門極 ， 為防止門極干擾引起誤動(dòng)作 ， 在柵射極并接?xùn)派潆娮?Rge 和反串聯(lián)穩(wěn)壓管 VZ2 和 VZ3。 集成化 IGBT專用驅(qū)動(dòng)器 介紹 現(xiàn)在，大電流高電壓的 IGBT 己模塊化，它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外，現(xiàn)在己制造出集成化的 IGBT 專 用驅(qū)動(dòng)電路。其性能更好，整機(jī)的可靠性更高及體積更小。 ExB841 的驅(qū)動(dòng)原理主要有三個(gè)工作過程 :正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保護(hù)動(dòng)作過程。 14 和巧兩腳間外加 PWM 控制信號，當(dāng)觸發(fā)脈沖信號施加于 14和巧引腳時(shí)，在 GE 兩端產(chǎn)生約 16V 的 IGBT 開通電壓 。當(dāng)觸發(fā)控制脈沖撤銷時(shí)，在 GE 兩端產(chǎn)生 的 IGBT 關(guān)斷電壓。過流保護(hù)動(dòng)作過程是根據(jù) IGBT 的 CE極間電壓 Uce 的大小判定是否過流而進(jìn)行保護(hù)的。 本文基于 EXB841 設(shè)計(jì) IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路如圖 46所示，包括外部負(fù)柵壓成型電路、過流檢測電路 。 16 (1)外部負(fù) 柵壓成型電路 針對負(fù)偏壓不足的問題，設(shè)計(jì)了外部負(fù)柵壓成型電路 。 用外接穩(wěn)壓管 Vw，代替驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓管 Vz，在穩(wěn)壓管兩端并聯(lián)了兩個(gè)電容值分別為 105uf和 的去藕濾波電容。為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，在柵射極間并聯(lián)了反向串聯(lián)的 16v(V02)和 8V(V03)穩(wěn)壓二極管。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減小 IGBT 集電極的電壓尖脈沖，需要在柵極串聯(lián)電阻 Rg。柵極串連電阻 Rg要恰當(dāng)， Rg 過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高 。Rg 過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大。優(yōu)化 電路采用了不對稱的開啟和關(guān)斷方法。在 IGBT 開通時(shí)， ExB841 的 3腳提供 +16V 的電壓，電阻 Rg2 經(jīng)二極管 Vd1 和 Rg1 并聯(lián) ,使 Rg 值較小。關(guān)斷時(shí)， EXB841 3 腳電平為 0，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路在 IGBT 的 E 極提供 8V 電壓，使二極管 V01 截止， Rg=Rg1，具有較大值。并在柵射極間并聯(lián)大電阻，防止器件誤導(dǎo)通。 圖 46 EXB841驅(qū)動(dòng)電路 (2)過流檢測電路 偏高的保護(hù)動(dòng)作 閾 值難起到有效地保護(hù)作用，必須合適設(shè)置此 閾值 。但由于器件壓降的分散性和溫度影響，又不宜設(shè)置過低。為了適當(dāng)降低動(dòng)作闌值，已經(jīng)提出了采 用高壓降檢測二極管或采用串聯(lián) 反向穩(wěn)壓二極管的方法。該方法不能在提高了負(fù)偏壓的情況下使用， 為正常導(dǎo)通時(shí)， IGBT 約有 左右的壓降，負(fù)偏壓的提高使 6 腳在正常情況下檢測到的電平將達(dá)到 12V 左右，隨著 IGBT 的工作電流增大，強(qiáng)電磁干擾會造成 EXB841 誤報(bào)警，出現(xiàn)虛假過流。本優(yōu)化電路采用可調(diào)的電流傳感器 。 L為磁平衡式霍爾電流傳感器，可測量交流或直流電流，反應(yīng)時(shí)間小于 1us，輸出電壓 電流有很好的線性關(guān)系。該電路通過 17 調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻 R