【正文】 BT 的在自保護功能，并具有較大的抗干擾能力。 （ 6） 若為大電感負載， 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。 IGBT 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路一般有以下幾種形式。 (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 80 年代的由 IGBT 構(gòu)成的設(shè)備上被廣泛使用 。 分立元件驅(qū)動電路的設(shè)計和應(yīng)用主要受當時電子元器件技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝的制約，但隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn)，這類分立元件插接式驅(qū)動電路因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成化程度低、 故障 率高已逐漸被淘汰 。 (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。由于驅(qū)動光電鍋臺器的型號很多，所以選用的余地也很大。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。以東芝 TLP 系列光電鍋臺器為例，驅(qū)動 IGBT模塊的光電 耦合 器主要采用的是 TLP250 和 TLP251 兩個型號。對于小電流 (15A 左右 )的模塊，一般采用 TLP外圍再輔以驅(qū)動電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡單的驅(qū)動電路。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。而對于更大電流的模塊，在設(shè)計驅(qū)動電路時一般在光電鍋合器驅(qū)動電路后面再增加一級放大電路，以達到安全驅(qū)動 IGBT 模塊的目的。 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)。光電鍋臺器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。 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。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個整體部件。使用厚膜驅(qū)動電路給設(shè)計布線帶來了很大的方便，可提高整機的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時也加強了技術(shù)的保密性?，F(xiàn)在的厚膜驅(qū)動電路集成了很多保 護電路和檢測電路。 (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。 此外，現(xiàn)在的一些歐美廠商在 IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計上采用了高頻隔離變壓器 (如丹佛斯 VLT 系列變頻電源 )。通過高頻變壓器對驅(qū)動電路的電源及信號的隔離，增強了驅(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。在實際應(yīng)用中這種驅(qū)動電路的故障 率 很低，大功率模塊也極少出現(xiàn)問題。 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。 耦合器以光為媒介傳輸電信號。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。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。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。輸入的電信號驅(qū)動 發(fā)光二極管 （ LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。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。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型 工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(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工作的可靠性。 光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。+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)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。 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。 非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號的傳輸，不適合于傳輸模擬量。 常用的 4N 系列光耦屬于非線性光耦 。 線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制。 常用的線性光耦是 PC817A—C 系列。 由于光 耦種類繁多，結(jié)構(gòu)獨特，優(yōu)點突出，因而其應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用 場合： (1) 在邏輯 電路上的應(yīng)用 光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比 晶體管 好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。 (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)。 (3) 在觸發(fā)電路上的應(yīng)用 將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā) 光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路，可有效地解決輸出與負載隔離地問題。 (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，可以將脈沖信號進行放大。 (5) 在線性電路上的應(yīng)用 線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能。 (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。 18 第 3 章 IGBT 保護電路設(shè)計 3. 1 IGBT 過壓保護電路 IGBT 柵極過壓保護電路 IGBT 的柵極一發(fā)射極驅(qū)動電壓 CEU 的保證值為 177。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)動電路中流當設(shè) 置 柵壓限幅電路。另外，若 IGBT 的柵極與發(fā)射極間開路，而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化， 由 于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，柵極電位升高，集電極 ——發(fā)射極有電流流過。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。如果設(shè)備在運輸或震動過程中使得柵極回路斷開 ，在不經(jīng)檢查的情況下就給主電路加上電壓，則 IGBT 就可能會損壞。 IGBT 的柵極出現(xiàn)過電壓的原因有以下兩個。 ① 靜電聚積在柵極電容上引起過壓 ② 電容密勒效應(yīng)引起的 柵 極過壓。 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。此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極，如圖 3l 所示。 圖 31 柵極過壓保護 集電極與發(fā)射極間的過壓保護電路 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。 對于 IGBT 的關(guān)斷過電壓和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過電壓， 并并接一個小電容 ， 設(shè)計緩沖電路是抑制集電極一發(fā)射極問過電壓的有效措施。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。 如圖 32 所示。 19 G1Q1IGBTD8DIODEC9330pf 圖 32 集電極與發(fā)射極間的過壓保護電路 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。 浪涌過電壓 因電路中分布電感的存在，加之 IGBT 的開關(guān)速度較高，當 IGBT 關(guān)斷時及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時，就會產(chǎn)生很大的浪涌電壓 Ldi/dt，威脅 IGBT 的安全。 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。抑制浪涌電壓的方法主要有； ① 在選取 IGBT 時考慮設(shè)計裕量。 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。 ③ 盡量將電解電容靠近 IGBT 安裝，以減小分布電感。 ④ 根據(jù)情況加裝緩沖保護電路，旁路高頻浪涌電壓。 IGBT 開關(guān)過程中的過電壓 IGBT 關(guān)斷時，集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達到數(shù)干安每微秒。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。但對于 IGBT 的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升 20 串。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。緩沖保護電路對 IGBT 的安全工作起著很重要的作用，通常采用的緩沖保護電路有以下幾種類型。 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。 IGBT 過流短路保護電路 圖 33 RCVD 緩沖電路 IGBT 過流保護的分類 IGBT 的過流保護電路可分為兩類： 一類是低倍數(shù)（ ~ 倍）的過載保護；另一類是高倍數(shù) (可達 8~10 倍 )的短路保護 。 (1)過載保護 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行時的特性相比并沒有 什么不同。由于較大的負載電流會引起 IGBT 內(nèi)較高的損耗，所以，為了避免超過最大的允許結(jié)溫， IGBT 的過載范圍應(yīng)該受到限制。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。對于過載保護不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有 IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護一旦動作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。 (2)短路保護 IGBT 能承受短路電流的 時 間很短，能承受短路電流的時間與該 IGBT 的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長。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 15us， 4—5V時可達30us 以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低， IGBT 的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方增大，造成承受短路的時間迅速縮短。 原則上， IGBT 都是安全短路器件。也就是說，它們在一定的外部條件下可以承受 短路電流，然后較關(guān)斷，而器件不會產(chǎn)生損壞。 21 過 流保護檢 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 CI 增大時， )(satCEU 也隨之增大。若柵極電壓為高電平，而 CEU較高 ,則此時就有過流情況發(fā)生 ， 與門輸出高電平，將過流信 號 輸出，控制單元斷開 IGBT的輸入， 達到保護 IGBT 的目的。 (3)檢測負載電流的電路 過流和短路保護措施 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。短路電流過大不僅使短路承受時間縮短，而且使關(guān)斷時電流下降率 dj／ dt過大，由于漏感及引線電感的存在，將導(dǎo)致 IGBT 集電極過電壓。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。因此，當出現(xiàn)短路過流時，必須采取有效的保護措施。 為了實現(xiàn) IGBT 的短路保護，則必須進行過流檢測。適用 IGBT 過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測 IGBT 的電流 CI ，然后與設(shè)定的 閾 值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時 IGBT 的電壓降 CEU ，因為管壓降中含有短路電流信息，