一种适用于大功率IGBT模块串联工作的新型驱动电路

1引言

随着电力电子技术的飞速发展,特别是IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor,绝缘栅双极晶体管)和MOSFET (Metallic oxide semiconductor field effecttransistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)等高频自关断器件应用的日益广泛,驱动电路的设计就显得尤为重要。本文介绍了一种以CONCEPT公司的IGD515EI驱动器为主要器件构成的驱动电路,适用于大功率、高耐压IGBT模块串、并联电路的驱动和保护。通过光纤传输驱动及状态识别信号,进行高压隔离传输,具有良好的抗电磁干扰性能和高于15A的驱动电流。因此,该电路适用于高压大功率场合。在隔离的高电位端, IGD515EI内部的DC-DC电源模块只需一路驱动电源就能够产生栅极驱动所需的±15V电源。器件内还包括功率管的过流和短路保护电路,以及信号反馈检测功能。该电路是一种性能优异、成熟的驱动电路。

2IGD515EI在刚管调制器中的应用

雷达发射机常用的调制器一般有三种类型:软性开关调制器、刚性开关调制器和浮动板调制器。浮动板调制器一般用于控制极调制的微波电子管,而对于阴调的微波管则只能采用软性开关调制器和刚性开关调制器。由于软性开关调制器不易实现脉宽变化,故在阴调微波管发射机的脉宽要求变化时,发射机的调制器往往只能采用刚性开关调制器。刚性开关调制器又称刚管调制器,刚管调制器因其调制开关可受控主动关断而得名。因此,采用这种调制器发射机脉宽可实现脉间变化。

IGBT属于场控功率管,具有开关速度快、管压降小等特点,在刚管调制器中得到越来越广泛的应用,但其触发电路设计以及单只IGBT有限的电压和电流能力是其推广应用的难点。方案采用IGD515EI,加入相应的外围电路,构成了IGBT驱动电路,通过IGD515EI的34脚(SDSOA)多管联用特性端实现两管串联应用,解决了IGBT单管耐压不高的问题。IGBT驱动电路如图1所示。驱动信号通过光纤接收器HFBR-2521送给驱动模块,驱动模块报故障时通过光纤发射器HFBR-1521送出故障信号给控制电路,由控制电路切断所有IGBT驱动电路的驱动信号,各个IGD515EI同时输出-15V的负偏压,各个IGBT同时关断,避免个别器件提前关断,造成过压击穿。

图1IGBT驱动电路

2. 1IGBT驱动器电源设计

由于IGD515EI只需要单路电源供电,在输入端的10脚(VCC)和9脚(GND)接入+15V电源,由模块内部通过DC/DC变换产生±15V和+5V输出,为光纤发射器、接收器以及输出电路提供电源。因而对每个处于高电位的驱动电路来说,只需提供一个15V电源即可,便于做到电位隔离。

2. 2IGBT栅极触发电路设计

驱动器的25脚(G)输出的驱动电压为±12V~±15V,这取决于电源电压;也可不产生负的栅极电压,这要由具体的应用和所使用的功率管决定。最大栅极充电电流是±15A,充电电流由外接的栅极电阻限定。如果将25脚G通过电阻直接与IGBT:G相连, IGBT的驱动波形上升沿较大,但IGBT导通后上升较快,如图2所示;

图2IGD515EI输出端不加MOS管时IGBT的驱动波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

如果在25脚与IGBT:G中间串入一只MOS管,进行电流放大,可有效地减小IGBT驱动波形的上升沿,缩短IGBT的导通过程,减小IGBT离散性造成的导通不一致性,减小动态均压电路的压力,但IGBT导通后上升较慢,其波形如图3所示。

图3IGD515EI输出端加MOS管时IGBT的驱动波形(-14V~+12V, 5V/p, 5μs/p)

2. 3IGBT过流检测及保护电路参数的选择

(1)响应时间电容和中断时间电容选择

功率管,特别是IGBT的导通需要几个微秒,因此功率管导通后要延迟一段时间才能对其管压降进行监测,以确定IGBT是否过流,这个延迟即为“响应时间”。响应时间电容CME的作用是和内部1. 5kΩ上拉电阻构成数微秒级的延时ta,CME的计算方法如下:

在IGBT导通以后,通过IGD515EI内部的检测电路对19脚的检测电压(IGBT的导通压降)进行检测。若导通压降高于设定的门限,则认为IGBT处于过流工作状态,由IGD515EI的35脚送出IGBT过流故障信号,经光纤送给控制电路,将驱动信号封锁一小段时间。这段时间为截止时间tb,大小由20脚(Cb)与24脚(COM)之间外接的电容Cb确定。对于给定的截止时间,则Cb由下式确定: