IGBT應(yīng)用電子電路設(shè)計(jì)集錦—電路精選（48） - 全文

IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在不間斷電源系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，分析了IGBT 在UPS 中損壞的主要原因和實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。在UPS 中使用的功率器件有雙極型功率晶體管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT 既有功率MOSFET 易于驅(qū)動(dòng)，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點(diǎn)、使用IGBT成為UPS 功率設(shè)計(jì)的首選，只有對IGBT的特性充分了解和對電路進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹UPS 中的IGBT 的應(yīng)用情況和使用中的注意事項(xiàng)。

IGBT電路原理圖

IR2110驅(qū)動(dòng)IGBT電路如圖所示。電路采用自舉驅(qū)動(dòng)方式，VD1為自舉二極管，C1為自舉電容。接通電源，VT2導(dǎo)通時(shí)Cy通過VDt進(jìn)行充電。這種電路適用于驅(qū)動(dòng)較小容量的IGBT.對于IR2110，當(dāng)供電電壓較低時(shí)具有使驅(qū)動(dòng)器截止的保護(hù)功能。自舉驅(qū)動(dòng)方式支配著VT2的導(dǎo)通電壓，因此電壓較低的保護(hù)功能是其必要條件。若驅(qū)動(dòng)電壓較低時(shí)驅(qū)動(dòng)IGBT，則IGBT就會(huì)發(fā)生熱損壞。VD1選用高速而耐壓大于600V的ERA38-06、ERB38-06等二極管。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種MOSFET 與雙極晶體管復(fù)合的器件。它既有功率MOSFET 易于驅(qū)動(dòng)，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大，損耗小的顯著優(yōu)點(diǎn)。據(jù)東芝公司資料，1200V/100A 的IGBT 的導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOSFET 的1/10，而開關(guān)時(shí)間是同規(guī)格GTR的1/10。由于這些優(yōu)點(diǎn)，IGBT廣泛應(yīng)用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的設(shè)計(jì)中。這種使用 IGBT 的在線式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強(qiáng)、可靠性高的顯著優(yōu)點(diǎn)。　UPS 主要有后備式、在線互動(dòng)式和在線式三種結(jié)構(gòu)。在線式UPS 以其可靠性高，輸出電壓穩(wěn)定，無中斷時(shí)間等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通信系統(tǒng)、稅務(wù)、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機(jī)關(guān)的機(jī)房中。本文以在線式為介紹對象，介紹UPS 中的IGBT的應(yīng)用。

圖1 在線式不間斷電源主電路圖

圖1 為在線式UPS 的主電路，在線式UPS 電源具有獨(dú)立的旁路開關(guān)、AC/DC 整流器、充電器、DC/AC 逆變器等系統(tǒng)，工作原理是：市電正常時(shí)AC/DC 整流器將交電整流成直流電，同時(shí)對蓄電池進(jìn)行充電，再經(jīng)DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波交流電，市電異常時(shí)，電池對逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時(shí)將輸出轉(zhuǎn)為旁路供電。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定，能為用戶提供真正高質(zhì)量的正弦波電源。

圖3：應(yīng)用IGBT 的旁路開關(guān)

整流器AC/DC

UPS 整流電路分為普通橋堆整流、SCR 相控整流和PFC 高頻功率因數(shù)校正的整流器。傳統(tǒng)的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS 技術(shù)的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數(shù)要求，采用PFC 功率因數(shù)校正的UPS 日益普及，PFC 電路工作的基頻至少20KHZ，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99，PFC 電路中常用IGBT 作為功率器件，應(yīng)用 IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。UPS 的充電器常用的有反激式、BOOST 升壓式和半橋式。大電流充電器中可采用單管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。3KVA 以上功率的在線式UPS 幾乎全部采用IGBT 作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路，如下圖4。

過電流損壞

為了避免IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)而損壞，電路設(shè)計(jì)中應(yīng)保證IGBT 的最大工作電流應(yīng)不超過IGBT 的IDM 值，同時(shí)注意可適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電阻 RG 的辦法延長關(guān)斷時(shí)間，減小IGBT 的di/dt。驅(qū)動(dòng)電壓的大小也會(huì)影響IGBT 的擎住效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電壓低，承受過電流時(shí)間長，IGBT 必須加負(fù)偏壓，IGBT 生產(chǎn)廠家一般推薦加-5V 左右的反偏電壓。在有負(fù)偏壓情況下，驅(qū)動(dòng)正電壓在10—15V 之間，漏極電流可在5～10μs 內(nèi)超過額定電流的4～10 倍，所以驅(qū)動(dòng)IGBT 必須設(shè)計(jì)負(fù)偏壓。由于UPS 負(fù)載沖擊特性各不相同，且供電的設(shè)備可能發(fā)生電源故障短路，所以在UPS 設(shè)計(jì)中采取限流措施進(jìn)行IGBT的電流限制也是必須的，可考慮采用IGBT 廠家提供的驅(qū)動(dòng)厚膜電路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它們對IGBT 的集電極電壓進(jìn)行檢測，如果IGBT 發(fā)生過電流，內(nèi)部電路進(jìn)行關(guān)閉驅(qū)動(dòng)。這種辦法有時(shí)還是不能保護(hù)IGBT，根據(jù)IR 公司的資料，IR 公司推薦的短路保護(hù)方法是：首先檢測通態(tài)壓降Vce，如果Vce 超過設(shè)定值，保護(hù)電路馬上將驅(qū)動(dòng)電壓降為 8V，于是IGBT 由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入放大區(qū)，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經(jīng)過4us 連續(xù)檢測通態(tài)壓降Vce，如果正常，將驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正常，如果未恢復(fù)，將驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實(shí)現(xiàn)短路電流軟關(guān)斷，可以避免快速關(guān)斷造成的過大di/dt 損壞IGBT，另外根據(jù)最新三菱公司IGBT 資料，三菱推出的F 系列IGBT 的均內(nèi)含過流限流電路（RTC circuit），如圖6，當(dāng)發(fā)生過電流，10us 內(nèi)將IGBT 的啟動(dòng)電壓減為 9V，配合M57160AL 驅(qū)動(dòng)厚膜電路可以快速軟關(guān)斷保護(hù)IGBT。

圖5：IGBT 等效電路圖

圖6 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路

過電壓損壞

防止過電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結(jié)構(gòu)，通過縮小大電流回路的路徑來減小線路寄生電感；適當(dāng)增加IGBT 驅(qū)動(dòng)電阻Rg 使開關(guān)速度減慢（但開關(guān)損耗也增加了）；設(shè)計(jì)緩沖電路，對尖峰電壓進(jìn)行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復(fù)的二極管，電容必須是高頻、損耗小，頻率特性好的薄膜電容。這樣才能取得好的吸收效果。常見電路有耗能式和回饋式緩沖電路?；仞伿接钟袩o源式和有源式兩種，詳細(xì)電路設(shè)計(jì)可參見所選用器件的技術(shù)手冊。在UPS 中，逆變橋同臂支路兩個(gè)驅(qū)動(dòng)必須是互鎖的，而且應(yīng)該設(shè)置死區(qū)時(shí)間（即共同不導(dǎo)通時(shí)間）。如果發(fā)生共導(dǎo)，IGBT 會(huì)迅速損壞。在控制電路應(yīng)該考慮到各種運(yùn)行狀況下的驅(qū)動(dòng)問題控制時(shí)序問題?？赏ㄟ^降額使用，加大散熱器，涂敷導(dǎo)熱膠，強(qiáng)制風(fēng)扇制冷，設(shè)置過溫度保護(hù)等

IGBT欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）功能

在剛剛上電的過程中，芯片供電電壓由0V逐漸上升到最大值。如果此時(shí)芯片有輸出會(huì)造成IGBT門極電壓過低，那么它會(huì)工作在線性放大區(qū)。 HCPL316J芯片的欠壓鎖定保護(hù)的功能（UVLO）可以解決此問題。當(dāng)VCC與VE之間的電壓值小于12V時(shí)，輸出低電平，以防止IGBT工作在線性工作區(qū)造成發(fā)熱過多進(jìn)而燒毀。示意圖詳見圖1中含UVLO部分。

圖1 HCPL-316J內(nèi)部原理圖

IGBT過流保護(hù)功能

HCPL-316J具有對IGBT的過流保護(hù)功能，它通過檢測IGBT的導(dǎo)通壓降來實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。同樣從圖上可以看出，在其內(nèi)部有固定的7V電平，在檢測電路工作時(shí)，它將檢測到的IGBT C～E極兩端的壓降與內(nèi)置的7V電平比較，當(dāng)超過7V時(shí)，HCPL-316J芯片輸出低電平關(guān)斷IGBT，同時(shí)，一個(gè)錯(cuò)誤檢測信號通過片內(nèi)光耦反饋給輸入側(cè)，以便于采取相應(yīng)的解決措施。在IGBT關(guān)斷時(shí)，其C～E極兩端的電壓必定是超過7V的，但此時(shí)，過流檢測電路失效，HCPL-316J芯片不會(huì)報(bào)故障信號。實(shí)際上，由于二極管的管壓降，在IGBT的C～E 極間電壓不到7V時(shí)芯片就采取保護(hù)動(dòng)作。

驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的主要邏輯部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的導(dǎo)通、關(guān)斷并且保護(hù)IGBT。它的輸出功能可以簡略的用下面的邏輯功能表來描述。（詳見表1）

表1 HCPL-316J邏輯功能表

表格中最后一列為輸出。當(dāng)輸出為High時(shí)IGBT導(dǎo)通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導(dǎo)通需要同時(shí)具備最后一行的五個(gè)條件，缺一不可，即同相輸入為高；反相輸入為低；欠壓保護(hù)功能無效；未檢測到IGBT故障，無故障反饋信號或故障反饋信號已被清除。

根據(jù)上述輸出控制功能，設(shè)計(jì)電路如圖2。

圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

整個(gè)電路板的作用相當(dāng)于一個(gè)光耦隔離放大電路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器（DSP-TMS320F2812）產(chǎn)生XPWM1及XCLEAR*信號輸出給HCPL-316J，同時(shí)HCPL-316J產(chǎn)生的IGBT故障信號 FAULT*給控制器。同時(shí)在芯片的輸出端接了由NPN和PNP組成的推挽式輸出電路，目的是為了提高輸出電流能力，匹配IGBT驅(qū)動(dòng)要求。

當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為高電平時(shí)，推挽電路上管（T1）導(dǎo)通，下管（T2）截止， 三端穩(wěn)壓塊LM7915輸出端加在IGBT門極（VG1）上，IGBT VCE為15V，IGBT導(dǎo)通。當(dāng)HCPL-316J輸出端VOUT輸出為低電平時(shí)，上管（T1）截止，下管（T1）導(dǎo)通，VCE為-9V，IGBT關(guān)斷。以上就是IGBT的開通關(guān)斷過程。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路分析

如圖是一個(gè)單項(xiàng)變頻器IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一部分電路，輸出只要有Q2那部分，如果A314J的VO端子輸出電壓不足是不是可以判定是A314J本身或者之前電路的問題，而不是之后電路的問題。

編者結(jié)語：

IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)，是UPS 中的充電、旁路開關(guān)、逆變器，整流器等功率變換的理想器件。只有合理運(yùn)用IGBT，并采取有效的保護(hù)方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。