【導(dǎo)讀】絕緣柵晶體管IGBT是近年來發(fā)展最快而且很有前途的一種復(fù)合型器件，并以其綜合性能優(yōu)勢在開關(guān)電源、UPS、逆變器、變頻器、交流伺服系統(tǒng)、DC/DC變換、焊接電源、感應(yīng)加熱裝置、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，在其使用過程中，發(fā)現(xiàn)了不少影響其應(yīng)用的問題，其中之一就是IGBT的門極驅(qū)動與保護(hù)。目前國內(nèi)使用較多的有富士公司生產(chǎn)的EXB系列，三菱公司生產(chǎn)的M579系列，MOTOROLA公司生產(chǎn)的MC33153等驅(qū)動電路。這些驅(qū)動電路各有特點，均可實現(xiàn)IGBT的驅(qū)動與保護(hù)，但也有其應(yīng)用限制，例如：驅(qū)動功率低，延遲時間長，保護(hù)電路不完善，應(yīng)用頻率限制等。本文，以IXYS公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動芯片IXDN404為基礎(chǔ)，介紹了其特性和參數(shù)，設(shè)計了實際驅(qū)動與保護(hù)電路，經(jīng)過實驗驗證，可滿足IGBT的實際驅(qū)動和過流及短路時實施慢關(guān)斷策略的保護(hù)要求。--高輸出峰值電流可達(dá)到4A；--上升與下降時間匹配；--每片含有兩路驅(qū)動；綜上所述，這種驅(qū)動保護(hù)電路是一種低成本、高性能的IGBT驅(qū)動電路。

　　

【正文】 的工作原理可歸納如下：三相（或單相）交流市電經(jīng)EMI濾波器濾波后，由整流橋模塊U整流，再經(jīng)電容濾波，加至由IGBT構(gòu)成的橋式逆變電路，該直流高壓經(jīng)逆變電路逆變?yōu)槊}寬按正弦波規(guī)律變化的高頻脈沖波，再由輸出濾波器濾掉高頻諧波，得到中頻正弦波，最后由變壓器隔離、變壓（升壓或降壓）后提供給負(fù)載。SPWM脈沖波由主控制電路產(chǎn)生并根據(jù)輸出反饋電壓和反饋電流來改變脈沖波的寬度，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。 主控制電路主控制部分的原理框圖如圖2所示。它采用INTEL公司的16位單片機87C196MC作為控制核心。該單片機主要用于控制和數(shù)據(jù)處理，并具有脈寬調(diào)制信號輸出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。單片機產(chǎn)生載頻為20kHz的SPWM脈沖信號，由脈寬調(diào)制信號輸出端口輸出，通過驅(qū)動電路加到IGBT的柵極，控制逆變電路正確工作，同時，根據(jù)電壓和電流的反饋值調(diào)整SPWM脈沖信號的脈寬以保持輸出信號幅度的穩(wěn)定。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，充分發(fā)揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、輸出短路、過熱等進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷并對故障進(jìn)行相應(yīng)的聲光報警。由于采用了16位單片機作為系統(tǒng)的控制核心，控制快速準(zhǔn)確，使系統(tǒng)具有響應(yīng)快，運行穩(wěn)定、可靠的特點。 驅(qū)動電路IGBT的柵極驅(qū)動電壓可由不同的驅(qū)動電路提供，選擇驅(qū)動電路時，應(yīng)考慮驅(qū)動電路的電源要求，器件關(guān)斷偏置的要求，柵極電荷的要求，耐固性要求，保護(hù)功能等因素。驅(qū)動電路的性能不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作性能和運行安全，而且影響到整個系統(tǒng)的性能和安全。德國西門康（SEMIKRON）公司生產(chǎn)的SKM系列IGBT功率模塊，在芯片制造工藝、內(nèi)部布局、基板選擇等方面有獨到之處，不必使用RCD吸收電路，SOA（安全工作區(qū)）曲線為矩形，不必負(fù)壓關(guān)斷，并聯(lián)時能自動均流，短路時電流自動抑制，開關(guān)損耗不隨溫度正比增加，正溫度特性曲線。鑒于此，選用西門康公司的SKM系列IGBT作為逆變電源的主功率開關(guān)器件。為充分利用IGBT的優(yōu)良性能，保證系統(tǒng)能安全可靠地工作，驅(qū)動電路也選用西門康公司的SKHI系列驅(qū)動器。該系列驅(qū)動器只需一個非隔離的＋15V電源；具有高dv/dt容量；保護(hù)功能完善；故障記憶，通過ERROR信號告知控制系統(tǒng)；上下互鎖，避免同一橋臂兩只IGBT同時開通；柵極電阻外部可調(diào)，使得使用不同功率容量的IGBT時都能工作于較高的開關(guān)頻率，并得到高的轉(zhuǎn)換效率。作為電壓型控制的IGBT不需要柵極驅(qū)動電流，但由于柵極輸入端有一個大電容，使在驅(qū)動時形成一很窄的脈沖柵極驅(qū)動電流，且IGBT容量越大，該脈沖電流的峰值越大，例如，200A/。SKHI驅(qū)動器既能承受這種高峰值柵極電流又不降低VGE。為提高高開通和關(guān)斷速度，減少驅(qū)動器損耗，SKHI驅(qū)動器的輸出級采用MOSFET對管以減少連接線路上的電阻。影響開關(guān)速度的另一個重要因素是柵極電阻RG，減小RG可以降低IGBT的開關(guān)損耗，但由于雜散電感的存在，使得IGBT關(guān)斷時的集射極間的尖峰電壓增大，SKHI驅(qū)動器將RG分成RGON和RGOFF（見圖3），這樣兩個參數(shù)可分別控制，并可根據(jù)IGBT容量的不同，分別調(diào)整RGON和RGOFF，以獲得最佳驅(qū)動效果。過流保護(hù)是驅(qū)動電路具有的重要功能之一，SKHI采用監(jiān)測IGBT集射極電壓VCE來測控過流，原理圖見圖4。VCE測控電路同時監(jiān)視柵極輸入信號和集射極電壓，當(dāng)輸入信號為高電位，并且在3～5μs后，VCE較正常飽和值（～）高，則認(rèn)為過流，關(guān)斷脈沖信號，給出故障報警信號。這是一種較先進(jìn)的過流測控方式。SKHI驅(qū)動器是針對IGBT和MOS特性而設(shè)計的，是性能較為完善的一種驅(qū)動器。 輔助控制電路輔助控制電路的作用是根據(jù)主控電路發(fā)出的控制信號，依次控制接觸器K2，K3，K4的吸合及分?jǐn)?，保證主電路依正確的順序加電，在保護(hù)電路工作時切斷主電路的供電電源。輔助控制電路還為風(fēng)扇提供電源。 顯示及按鍵控制電路顯示及按鍵控制電路的功能是在主控電路的控制下，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如電壓、電流、頻率等，并可通過按鍵改變輸出電壓的幅度（改變范圍為額定輸出電壓的177。10％）和輸出電壓的頻率（400Hz177。30Hz）。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時對故障進(jìn)行顯示和報警，報警信號包括過流、過載、短路、過熱、輸入過壓欠壓、驅(qū)動報警等。 軟件控制在算法上采用SPWMT和PID算法以及模糊控制邏輯、動態(tài)查表法，使系統(tǒng)響應(yīng)更快，保護(hù)功能更強，可靠性大大提高。 其他采用關(guān)鍵器件降額設(shè)計，軟啟動設(shè)計、自動保護(hù)設(shè)計等措施，保證電路在環(huán)境應(yīng)力較大的情況下能可靠工作；采用可靠性熱設(shè)計、三防處理、結(jié)構(gòu)件加固處理等辦法，保證產(chǎn)品在惡劣的氣候應(yīng)力和機械應(yīng)力條件下的可靠性；對于艦載裝備配套的本產(chǎn)品，采用復(fù)合型減震器和導(dǎo)向件結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品的抗沖擊、抗振動性能。強化產(chǎn)品的絕緣設(shè)計，確保產(chǎn)品的安全性。2 實用效果根據(jù)上述正弦波中頻逆變電源方案，已成功開發(fā)出系列正弦波中頻逆變電源，經(jīng)實測在額定負(fù)載時輸出正弦波的失真度3％，MTBF20000h，各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。通過了海裝電子部組織的專家鑒定，還通過了中國電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗研究所質(zhì)量檢測中心（即信息產(chǎn)為部五所）的可靠性和電磁兼容性鑒定、環(huán)境試驗檢測。電源經(jīng)海軍多個部隊和基地、軍工單位、研究所的實際使用，取得了令人滿意的效果。3 結(jié)語1）大功率IGBT因具有工作頻率較高，驅(qū)動電路功率小，工作損耗小等優(yōu)點，加之有專用的驅(qū)動電路可使驅(qū)動電路的設(shè)計簡化，可靠性提高，因此，可方便地用于變頻電源中。2）在正弦波逆變電源系統(tǒng)中應(yīng)用16位單片機87C196MC來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的SPWM脈沖信號，是非常方便實用的，可使硬件電路大大簡化，可靠性提高，同時可利用單片機的強大控制功能，實時地對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷。3）大功率IGBT逆變器的保護(hù)電路設(shè)計對其可靠工作具有非常重要的作用，應(yīng)充分重視。IGBT模塊的吸收電容C3及C4須選用低感電容，如聚丙烯電容或類似的低介電損耗膜的電容，安裝時應(yīng)盡可能地靠近模塊。4）正弦波逆變電源輸出正弦波的失真度與輸出濾波器的參數(shù)有密切關(guān)系，設(shè)計中應(yīng)合理地選取濾波器的截止頻率，并照顧逆變電源最高輸出頻率的需要，濾波電感及電容應(yīng)滿足式中：fc為濾波器的截止頻率，取值為最高輸出頻率的5～10倍。5）由IGBT做功率開關(guān)器件構(gòu)成的中頻逆變電源體積小，重量輕，噪音低，工作可靠，使用、維護(hù)方便，在工業(yè)、國防、航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，是中頻變頻機組的理想替代產(chǎn)品。