【導(dǎo)讀】IGBT將單極型和雙極型器件的各自優(yōu)點(diǎn)集于一身，揚(yáng)長(zhǎng)避短，使其特性更加優(yōu)越，展很快，應(yīng)用很廣。其驅(qū)動(dòng)電路性能直接影響IGBT的功耗、安全性與可靠性等特性，在功率變換器內(nèi)發(fā)揮相當(dāng)重要的作用。保護(hù)功能，檢測(cè)功能，以及柵極輸入。然后又把該次設(shè)計(jì)過程詳細(xì)的介紹，包括其原理。圖，電路板和仿真等。最后進(jìn)行總結(jié)，總結(jié)了該次畢設(shè)在設(shè)計(jì)和焊接中出現(xiàn)的種種問題

　　

【正文】 過流時(shí) CEU 增大且基本上為線性關(guān)系，檢測(cè)過流時(shí)的CEU 并與設(shè)定的 閾值 進(jìn)行比較 ，比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷。 在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷電流的 di／ dt 過大形成過電壓，導(dǎo)致 IGBT 鎖定無效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵 壓 和軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。在檢測(cè)到過電流信號(hào)后首先是進(jìn)入降柵保護(hù)程序，以降低故障電流的幅值，延長(zhǎng) IGBT 的短路承受時(shí)間。 在降柵壓動(dòng)作后，設(shè)定一個(gè)固定延遲時(shí)間，用以判斷故障電流的真實(shí)性。如在延遲時(shí)間內(nèi)故障消失，則柵壓自動(dòng)恢復(fù)；如故障仍然存在，則進(jìn)入軟關(guān)斷程序，使柵壓降至0V以下，關(guān)斷 IGBT 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于在降柵壓階段集電極電流已減小，故軟關(guān) 斷時(shí)不 22 會(huì)出現(xiàn)過大的短路電流下降率和過高的過電壓。采用軟降柵壓及軟關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)保護(hù)，使故障電流的幅值和下降率都能受到限制，過電壓降低， IGBT 的電流、電壓運(yùn)行軌跡能保證在安全區(qū)內(nèi)。 在設(shè)計(jì)降柵壓保護(hù)電路時(shí)，要正確選擇降柵壓幅度和速度，如果降暢壓幅度大 (比如 )，降柵 壓 速度不要太快，一般可采用 2us 下降時(shí)間的軟降柵壓，由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷；如果降柵壓幅度較小 (比如 5V以下 )，降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須 慢 ，即采用軟關(guān)斷，以避免過電 壓發(fā)生。 典型過流保護(hù)電路 (1)集中過電流保護(hù) 所謂集中過電流保護(hù)，就是檢測(cè)逆變橋輸入直流母線上的電流，當(dāng)該電流值超過設(shè)定的 閾值 時(shí)，封鎖所有橋臂 IGBT 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖 34 為集中過電流保護(hù)的原理圖，電流檢測(cè)點(diǎn)故在直流側(cè)，檢測(cè)元件采用日木 HINODE 公司的直測(cè)式霍爾效應(yīng)電流傳感器HAP8200／ 4，用以檢測(cè)宣流側(cè)電壓的瞬時(shí)值。 HAF8200／ 4 需要 177。15v 的供電電源，額定電流為 177。200A，飽和電流在 450A 以上，額定輸出電壓為 177。4V， di／ dt 響應(yīng)時(shí)間在 10us以下。在正常情況下，集 中過電流保護(hù)電路的輸出 OC 為高電平，一旦直流母線電流超過設(shè)定的 閾值 ，比較器 LM3ll 的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)過 R C2 的延遲，OC 將由高電平變?yōu)榈碗娖健＿@個(gè)低電平信 號(hào) 特使封鎖電路動(dòng)作，封鎖逆變橋所有 IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 R C2 組成的延遲電路時(shí)為防止封鎖電路誤動(dòng)作而采取的抗干擾措施 。 圖 34 集中過電流保護(hù)電路 23 (2)分散過電流保護(hù) 分散過電流保護(hù)就是檢測(cè)逆變橋各個(gè)橋臂 上的電流，當(dāng)該電流超過設(shè)定的 閾值 時(shí)，封鎖 該橋臂 IGBT 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 圖 35 為分散過 電流保護(hù)的原理 圖 ，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓 不變時(shí)， IGBT 的飽和壓降 )(satCEU 將隨著集電極電流 CI 的增大而增大。通過查閱三菱 1200V IGBT 的 產(chǎn)品手冊(cè)可知， )(satCEU 與 CI 的關(guān)系可內(nèi)如下經(jīng) 驗(yàn)公式表示出來。 圖 35 分散過電流保護(hù)電路 0() 2 .5 ( 1 ) 0 .7 5C E sa tcedIU I? ? ? ? (31) 式中： cedI 為 IGBT 的額定電流； CEU ＝ 15V； JT ＝ 25℃ 。 通過檢測(cè) )(satCEU ，就可以判斷 IGBT 是否過流。在圖 5—13 中， M57962L 通過快恢復(fù)二極管 VD 及穩(wěn)壓管 ZD 來檢測(cè) )(satCEU 。當(dāng) M57962L 輸入側(cè)的光電 耦合 器導(dǎo)通且 AEU (＝ )(satCEU ＋ VDU ＋ ZDU )超過 閾值 *AEU 后，將開始軟關(guān)斷， M57962L的輸出電壓將從正柵壓逐漸下降到負(fù)柵壓。圖 5—13 所示電路的參數(shù)為： EEU ＝ 10v， CCU ＝ 15V時(shí)， 閾值 *AEU＝ ，并且當(dāng) EEU 不變時(shí)， Ucc 每增加 1V， *AEU 也將加 1V。可以看出，通過改變穩(wěn)壓管 ZD 的穩(wěn)壓值可以改變分散保護(hù)過流 閾值 。在實(shí)際應(yīng)用中， CCU ＝ 15v， EEU ＝ 10V，VD 為 ERA3410，其管壓降為 ， ZDU ＝ 5V，在此參數(shù)下分散過流保護(hù)的電流 閾值 為3 倍的額定電流。為了使電源在短路故障狀態(tài)下不中斷工作，又能避免在原工作頻率下連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)產(chǎn)生熱積累而造成 IGBT 損壞，采用降柵壓保護(hù)可不必在發(fā)生 一次短路時(shí)就立即封鎖驅(qū)動(dòng)電路，從而使工作頻率降低 (比如 1Hz 左右 )，形成間歇 “打嗝 ”的保護(hù)方法，故障消除后即恢復(fù)正常工作 。且在這個(gè)過流保護(hù)中，我們可以給其串個(gè)電阻，根據(jù)電阻阻值乘以 1 短的過流源電流，就可以得到我們所想要的電壓降，從而我們可以設(shè)計(jì)最大電流的大小。 24 IGBT 過熱保護(hù)電路 一般情況下流過 IGBT 的電流較大，開關(guān)頻率較高，導(dǎo)致 IGBT 器件的損耗也比較大， 如果熱量不能及時(shí)散掉，器件的結(jié)溫 jT 將超過 maxjT ， IGBT 可能損壞。 IGBT 過熱的原因可能是驅(qū)動(dòng)波形不好、電流過大或開關(guān)頻率太高，也可能是散熱狀況不良。 IGBT 的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗，其中動(dòng)態(tài)功耗又包括開通功耗和關(guān)斷功耗。在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證其在正常工作時(shí)能夠充分散熱，而且還要保證其在發(fā)生短路或過載時(shí)， IGBT 的結(jié)溫也不超過 maxjT 。 在電路熱設(shè)計(jì)中由于受設(shè)備的體積和重量等的限制以及出于性價(jià)比的考慮，散熱系統(tǒng)也不可能無限制地?cái)U(kuò)大。為此，可在靠近 IGBT 處加裝一溫度檢測(cè)元件，實(shí)時(shí)檢測(cè) IGBT的工作溫度。當(dāng)檢測(cè)的溫度超過溫度設(shè)定值時(shí)，由控制單元切斷 IGBT 的輸入，保證 IGBT的安全。在 IGBT 往散熱器上安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： ① 由于熱阻隨 IGBT 安裝位置的不同而不同，因此，若在散熱器上僅安裝一個(gè) IGBT， 則應(yīng)將其安裝在正中間，以便使熱阻最??；當(dāng)要安裝幾個(gè) IGBT 時(shí)，應(yīng)根據(jù)每個(gè) IGBT 的發(fā)熱情況留出相應(yīng)的空間。 ② 使用帶紋路的散熱器時(shí)，應(yīng)將 IGBT 較寬的方向順著散熱器的紋路，以減少散熱器的變形。 ③ 散熱器安裝表面的光潔度應(yīng)小于或等于 10um，如果散熱器的表面不平，將大大 增加散熱器與器件的接觸熱阻，損壞 IGBT 的絕緣層。 IGBT 欠壓保護(hù)電路 當(dāng)柵極輸入電壓低于飽和開啟電壓時(shí)， IGBT 將進(jìn)入線性放大區(qū)，使 IGBT 功耗變大，并放熱很高， 時(shí)間一長(zhǎng)很容易把 IGBT 燒壞，故我們一般不能讓 IGBT 進(jìn)入線性區(qū)，故需要給它欠壓保護(hù)。 現(xiàn)在的保護(hù)芯片一般都有此功能，如 光耦合器 HCPL316J 內(nèi)置 IGBT 檢測(cè)及保護(hù)功能，使驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)起來更加方便、安全可靠．當(dāng) 2CCU 低于 12V時(shí)， HCPL316J 中 UVLO保護(hù)激活，使輸出一直保持在低電 位，封鎖 IGBT，以免在過低的柵 射電壓下 IGBT 處于線性區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間的話把 IGBT 燒毀．當(dāng) 2CCU 超過 12V時(shí)， 正常的導(dǎo)通關(guān)斷 。 25 第 4 章 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，其主要是設(shè)計(jì)其保護(hù)電路：過流、過壓、過熱和欠壓保護(hù)電路，檢測(cè)電路：過流、過熱和欠壓檢測(cè)電路，及其柵極驅(qū)動(dòng)電路。 IGBT 的選擇和 FGA25N120ANTD 的介紹 IGBT 種類和參數(shù) 在 IGBT 的選擇時(shí)，我們所選擇 IGBT 時(shí)，主要 看的參數(shù)是 typsatCEV ),( 、 CI 、 typoffE, 。而在市場(chǎng)上的 IGBT 的型號(hào)有 PM、 QM、 CM、 MG、 MIG 等，且其個(gè)型號(hào)又都有不同的typoffE, 和 CI 。而對(duì)于本次課設(shè)我們是設(shè)計(jì)一種比較普遍的驅(qū)動(dòng)電路，故我們選用了價(jià)格合理且功能較強(qiáng)的 FGA25N120ANTD。 FGA25N120ANTD 的介紹 FGA25N120ANTD 是一種應(yīng)用高級(jí) NPT 溝道的公開專利 溝道設(shè)計(jì)。這種 IGBT 可提供 1200V的開關(guān)特性，高的雪崩擊穿電壓和低的導(dǎo)通電壓。其特性有： 1. NPT 溝道技術(shù)，正溫度系數(shù)； 2. 低保和壓降：當(dāng) CT =25℃ ， CI =25A 時(shí)， typsatCEV ),( =2V； ：當(dāng) CT =25℃ ， CI =25A 時(shí)， typoffE, = 圖 41 FGA25N120ANTD 的內(nèi)外部圖 26 以上為 FGA25N120ANTD型的 IGBT的外部封裝圖： TO3P,及其內(nèi)部封裝，其把反向二極管也集成在其內(nèi)部。 表 41 額定參數(shù) Symbol Parameter FGA25N120ANTD Units VCES CollectorEmitter Voltage 1200 V VGES GateEmitter Voltage ??? V IC Collector Current @ TC = 25?C 50 A Collector Current @ TC = 100?C 25 A ICM Pulsed Collector Current (Note 1) 90 A IF Diode Continuous Forward Current @ TC = 100?C 25 A IFM Diode Maximum Forward Current 150 A PD Maximum Power Dissipation @ TC = 25?C 312 W Maximum Power Dissipation @ TC = 100?C 125 W TJ Operating Junction Temperature 55 to +150 ℃ Tstg Storage Temperature Range 55 to +150 ℃ TL Maximum Lead Temp. for soldering Purposes, 1/8” from case for 5 seconds 300 ℃ 表 42 熱性參數(shù) Symbol Parameter Typ. Max. Units R?JC Thermal Resistance, JunctiontoCase for IGBT ?C/W R?JC Thermal Resistance, JunctiontoCase for Diode ?C/W R?JA Thermal Resistance, JunctiontoAmbient 40 ?C/W 27 表 43 IGBT的電特性 （除了他別提示，否則 TC = 25176。C） Symbol Parameter Test Conditions Min. Typ. Max. Units 關(guān)斷特性 ICES Collector CutOff Current VCE = VCES, VGE = 0V 3 mA IGES GE Leakage Current VGE = VGES, VCE = 0V 177。 250 nA 開啟特性 VGE(th) GE Threshold Voltage IC = 25mA, VCE = VGE V VCE(sat) Collector to Emitter Saturation Voltage IC = 25A, VGE = 15V V IC = 25A, VGE = 15V, TC = 125?C V IC = 50A, VGE = 15V V 動(dòng)態(tài)特性 Cies Input Capacitance VCE =30V, VGE = 0V, f = 1MHz 3700 pF Coes Output Capacitance 130 pF Cres Reverse Capacitance r Capacitance 80 pF 開關(guān)特性 td(on) TurnOn Delay Time VCC = 600 V, IC = 25A, RG = 10?, VGE = 15V, Inductive Load, TC = 25?C 50 ns tr Rise Time 60 90 ns td(off) TurnOff Delay Time 190 ns tf Fall Time 100 180 ns Eon TurnOn Switching Loss mJ Eoff TurnOff Switching Loss mJ Ets Total Switching Loss mJ td(on) TurnOn Delay Time VCC = 600 V, IC = 25A, 50 ns tr Rise Time 60 ns 28 td(off) TurnOff Delay Time RG = 10?, VGE = 15V, Inductive Load, TC = 125?C