【正文】 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。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， typsatCEV ),( =2V； ：當(dāng) CT =25℃ ， CI =25A 時， 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。 FGA25N120ANTD 的介紹 FGA25N120ANTD 是一種應(yīng)用高級 NPT 溝道的公開專利 溝道設(shè)計。而在市場上的 IGBT 的型號有 PM、 QM、 CM、 MG、 MIG 等，且其個型號又都有不同的typoffE, 和 CI 。 25 第 4 章 IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計 IGBT 的驅(qū)動電路設(shè)計，其主要是設(shè)計其保護(hù)電路：過流、過壓、過熱和欠壓保護(hù)電路，檢測電路：過流、過熱和欠壓檢測電路，及其柵極驅(qū)動電路。 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， IGBT 將進(jìn)入線性放大區(qū)，使 IGBT 功耗變大，并放熱很高， 時間一長很容易把 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)。 ② 使用帶紋路的散熱器時，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。當(dāng)檢測的溫度超過溫度設(shè)定值時，由控制單元切斷 IGBT 的輸入，保證 IGBT的安全。 在電路熱設(shè)計中由于受設(shè)備的體積和重量等的限制以及出于性價比的考慮，散熱系統(tǒng)也不可能無限制地擴(kuò)大。 IGBT 的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)功耗，其中動態(tài)功耗又包括開通功耗和關(guān)斷功耗。 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， 如果熱量不能及時散掉，器件的結(jié)溫 jT 將超過 maxjT ， IGBT 可能損壞。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 一次短路時就立即封鎖驅(qū)動電路，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 ?？梢钥闯?，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 。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。 通過檢測 )(satCEU ，就可以判斷 IGBT 是否過流。通過查閱三菱 1200V IGBT 的 產(chǎn)品手冊可知， )(satCEU 與 CI 的關(guān)系可內(nèi)如下經(jīng) 驗公式表示出來。 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)就是檢測逆變橋各個橋臂 上的電流，當(dāng)該電流超過設(shè)定的 閾值 時，封鎖 該橋臂 IGBT 的驅(qū)動信號。這個低電平信 號 特使封鎖電路動作，封鎖逆變橋所有 IGBT的驅(qū)動信號。4V， di／ dt 響應(yīng)時間在 10us以下。15v 的供電電源，額定電流為 177。圖 34 為集中過電流保護(hù)的原理圖，電流檢測點故在直流側(cè)，檢測元件采用日木 HINODE 公司的直測式霍爾效應(yīng)電流傳感器HAP8200／ 4，用以檢測宣流側(cè)電壓的瞬時值。 在設(shè)計降柵壓保護(hù)電路時，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。由于在降柵壓階段集電極電流已減小，故軟關(guān) 斷時不 22 會出現(xiàn)過大的短路電流下降率和過高的過電壓。 在降柵壓動作后，設(shè)定一個固定延遲時間，用以判斷故障電流的真實性。 在短路電流出現(xiàn)時，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)。 為了實現(xiàn) IGBT 的短路保護(hù)，則必須進(jìn)行過流檢測。該過電壓可在器件內(nèi)部產(chǎn)生鎖定效應(yīng)，使 IGBT 鎖定失效，同時高的過電壓會使 IGBT 擊穿。 (3)檢測負(fù)載電流的電路 過流和短路保護(hù)措施 IGBT 能夠承受的短路時間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾微秒至幾十微秒。 21 過 流保護(hù)檢 測 電路 過流檢測電路主要有三種，如下： (1)用電阻或電流互感器構(gòu)成的檢測過流電路 (2)檢測 IGBT 的 )(satCEU 電壓的過流檢測電路 因 ( ) ( )CE sat C CE satU I R? ，當(dāng) CI 增大時， )(satCEU 也隨之增大。 原則上， IGBT 都是安全短路器件。如飽和壓降小于 2V的 IGBT 允許承受的短路時間小于 5us，而飽和壓降為 3V的 IGBT 允許承受的短路時間可達(dá) 15us， 4—5V時可達(dá)30us 以上。這種過載電流保護(hù)一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。不僅僅是過載時結(jié)溫的絕對值，而且連過載時的溫度變化范圍都是限制性因素。 (1)過載保護(hù) 原則上， IGBT 在過流時的開關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運(yùn)行時的特性相比并沒有 什么不同。 ① C 緩沖電路； ② RC 緩沖電路 ； ③ RCVD 緩沖電路 ； ④ 放電阻止型緩沖電路。一般情況下， IGBT 開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損 耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致 IGBT 關(guān)斷時使其電流、電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞，所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。 ④ 根據(jù)情況加裝緩沖保護(hù)電路，旁路高頻浪涌電壓。 ② 在電路設(shè)計時調(diào)整 IGBT 驅(qū)動電路的柵極電阻 GR 、使 di／ dt 盡可能小。 如果 cespU 超出 IGBT 的集電極 ——發(fā)射極間耐壓值 CESU ，就可能損壞 IGBT。 19 G1Q1IGBTD8DIODEC9330pf 圖 32 集電極與發(fā)射極間的過壓保護(hù)電路 直流過電壓 直流過壓產(chǎn)生的原出是輸入交流電源或 IGBT 的前一級輸入發(fā)生異常，解決的辦法是在選取 IGBT 時進(jìn)行降額設(shè)計，另外也可在檢測出這一過電壓時關(guān)斷 IGBT 的輸入，保證 IGBT 的安全。緩沖電路之所以能減小 IGBT集電極一發(fā)射極間的過電壓，是因為它給回路電感提供了泄能回路，降低了回路電感上電流的變化率。 圖 31 柵極過壓保護(hù) 集電極與發(fā)射極間的過壓保護(hù)電路 IGBT 的柵極一發(fā)射極過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況：一種是施加到 IGBT 的集電極一發(fā)射極間的直流電壓過高，另一種為集電極一發(fā)射極間的浪涌電壓過高。 為防止 IGBT 的柵極一發(fā)射極過電壓情況發(fā)生， 應(yīng)在 IGBT 的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十 千 歐的電 阻。 IGBT 的柵極出現(xiàn)過電壓的原因有以下兩個。這時若集電極和發(fā)射極 間 處于高壓狀態(tài)，可能會使 IGBT 發(fā)熱甚至損壞。20v，如果在它的 柵極 與發(fā)射極之 間加上超出保證值的電 壓 ，則可能會損壞 IGBT，因此，在 IGBT 的驅(qū)動電路中流當(dāng)設(shè) 置 柵壓限幅電路。 (6) 特殊場合的應(yīng)用 光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點繼電器以及用于 A/D 電路等多種場合。 (4) 在脈沖放大電路中的應(yīng)用 光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號進(jìn)行放大。 (2) 作為固體開關(guān)應(yīng)用 在開關(guān)電路中，往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實現(xiàn)。 常用的線性光耦是 PC817A—C 系列。 常用的 4N 系列光耦屬于非線性光耦 。 光電耦合器 分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。+VGG 17 光耦合器是 70 年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路 、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、 固態(tài)繼電器 (SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在計算機(jī)數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機(jī)工作的可靠性。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型 工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。這就完成了電 —光 —電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦合器 一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。 光耦電路及其原理 耦合 器（ optical coupler，英文縮寫為 OC）亦稱 光電隔離器 ，簡稱光耦，是開關(guān)電源電路中常用的器件。通過高頻變壓器對驅(qū)動電路的電源及信號的隔離，增強(qiáng)了驅(qū)動電路的可靠性，同時也有效地防止了主電路出現(xiàn)故障時對控制電路的損壞。 (4)專用集成驅(qū)動電路 目前已開發(fā)和應(yīng)用的專用集成驅(qū)動電路主要有 IR 公司的識 211 IR211 IR2113等， 其他還有三菱公司的 EXB 系列厚膜驅(qū)動電路等。使用厚膜驅(qū)動電路給設(shè)計布線帶來了很大的方便，可提高整機(jī)的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時也加強(qiáng)了技術(shù)的保密性。 16 (3)厚膜驅(qū)動電路 厚膜驅(qū)動電路是在阻容元件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路。 光電耪合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是反應(yīng)較 慢 ，因而具有較大的延遲時間 (高速型光電 耦合 器一般也大于 500ns)。而對于中等電流 (50A 左右 )的模塊，一般采用 TLP250 型號的光電 耦合 器。對于小電流 (15A 左右 )的模塊，一般采用 TLP用于 IGBT的光電 耦合 器驅(qū)動電路的驅(qū)動光電 耦合 器選用較多的主要有東芝的 TLP系列、夏普的比系列、惠普的 HLPL系列等。 (2)光電 耦合 器驅(qū)動電路 由于光電 耦合 器構(gòu)成的驅(qū)動電路具有線路簡單、可靠性高、開關(guān)性能好等特點，在IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計中被廣泛采用。 (1)分立元件驅(qū)動 電路 由分立元件構(gòu)成的插接式驅(qū)動電路，在 20 世紀(jì) 80 年代的由 IGBT 構(gòu)成的設(shè)備上被廣泛使用 。 （ 6） 若為大電感負(fù)載， IGBT 的關(guān)斷時間不宜過短，以限制 di/dt 所形成的尖峰電壓，保證 IGBT 的安全。 （ 4） IGBT 多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。另外， IGBT 開通后，門極驅(qū)動電源應(yīng)提供足夠功率使 IGBT 不致退飽和而損壞。 表 21 門極驅(qū)動條件與起特性的關(guān)系 特 性 Vds（ on） ONT 、 ONE OFFT 、 OFFE 負(fù)載短路能力 電流 d DSV /dt ﹢ VGS 增大 降低 降低 — 降低 增加 ﹣ VGS 增大 — — 略減小 — 減少 RG 增大 — 增加 增加 — 減少 根據(jù)表 212，對 IGBT 的驅(qū)動電路提出下列要求和條件： （ 1） 由于是容性輸入阻抗，因此 IGBT 對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須很可 15 靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。在門極驅(qū)動電路的設(shè)計中，必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由 dVD/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問題。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系如表212 所示。 門極驅(qū)動 柵極驅(qū)動條件 IGBT 的門極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到它的靜態(tài)和動態(tài)特性。只要不超過 GSMV ，外電路發(fā)生故障時， IGBT 將從飽和狀態(tài)進(jìn)入放大狀態(tài)。電壓上升率 d DSV /dt 越大，安全工作區(qū)越小。 IGBT 關(guān)斷時間為反向偏置，其安全工作區(qū)稱為反向安全工作區(qū)，簡稱 RBSOA，如圖 211A 所示。直流工作時安全工作區(qū)最小。 IGBT 開通時為正向偏置，其安全工作區(qū)稱為正向偏置安全工作區(qū)，簡稱 FBSOA，如圖 211A 所示。 且其開關(guān)損耗如下圖， t tfi1 tfi2 trv Td(on) VGG﹣