大功率igbt驱动保护电路的功能解析

根据不同的应用需要，大功率igbt驱动保护电路可以由多个功能组成一个相对完整的独立子系统。该系统的主要任务是完成“接口”工作:
3.1　隔离功能
　　由于产生波形逻辑的控制电路与功率主回路之间存在电平差异，而且功率主回路存在非常高的电磁干扰，这就需要进行信号传递的隔离及电源供给的隔离。信号隔离有两种方式:光耦隔离方式及脉冲变压器隔离方式。
　　光耦隔离方式的优点是转换电路简单，易于应用。由于上升延时及下降延时在500ns左右的量级，所以适用在频率较低的领域。如果需要故障回传到主控系统，则需要另外一路光耦。为了方便使用，也有将这两个光耦集成在一个封装之内的产品，如hcpl-316j等等。目前市场上光耦隔离方式的最大工作隔离电压viorm在3500v左右。
　　脉冲变压器隔离方式的转换电路相对复杂，一般需要使用专用集成电路，但是由于其运行速度高，适用在频率较高的领域，而且故障回传不需要其它绕组，隔离通道相对简单。只要空间位置允许，变压器隔离可以因为绕制工艺的改进做到非常高。此外一些对动态的隔离有要求的应用场合，要求隔离电路的dv/dt耐量非常高，而使用脉冲变压器隔离则可以达到75kv/μs以上的水平。
电源供给隔离一般采用不共地的dc/dc变换器，其变压器隔离耐压一般是母线电压的3倍以上，变换器的二次侧必须能够提供正负电源。
3.2　死区隔离功能
　　驱动死区隔离的设置(见图7阴影部分)对于半桥、全桥主回路来说是非常重要的。它一般是使用r、c电路来实现的。r、c电路的优点是简单，抗干扰能力强，缺点是容易受温度影响，成本较高，需要占据宝贵的pcb板件的面积，死区时间的调整间隔偏大。
　　针对上述r、c电路的缺点，很多具有开发能力的用户愿意使用“数字”的方式来获得死区。其最大的优点是温度稳定性好，由于调整步距仅仅与时钟信号频率有关，可以做到很精细，利于优化算法及主回路系统。

 

 

图7　上桥臂a与下桥臂b的死区示意

3.3　驱动功率的缓冲功能
　　对于输出额定电流在100a以上的igbt来说，虽然属于具有高阻输入的场控器件，但是由于寄生电容的存在以及弥勒效应，在短时内（微秒或亚微秒）需要向igbt的输入端输入或抽出较大的电流，从几百毫安到十几个安培不等，视igbt及主回路的参数来确定。因此在功率容量上普通的逻辑电路及逻辑缓冲电路均无法胜任，需要专门设计的功率缓冲电路来解决。这一类功率缓冲电路基本都是采用图腾柱输出级。很多产品选用双极型器件如m57962l等，也有选用单极型器件的如2sd315ai等，更有采用混合型器件，其上管选用双极型器件，下管选用单极型器件如hcipl-316j等等。为了满足瞬间能够源出、吸入十几个安培，去耦电容的选择及布局显得极为重要。一般选用具有良好高频特性的独石电容，在pcb布局时要求尽量紧靠图腾柱。
　　功率缓冲级的电源供给的容量也是非常重要的，视igbt的门极电荷以或门极电容参数以及主回路工作频率来确定。功率缓冲级电路如图8所示，它的隔离耐压水平与信号传递电路的耐压水平要求等同。

 

 

图8　功率缓冲级电路

3.4　检测及保护功能
3.4.1　过流检测及保护
　　一般采用间接电压法。当igbt出现过流情况时，vce饱和压降增大，因此通过检测igbt导通时的vce饱和压降与设定的阈值进行比较就可以判断是否出现过流。为了提高抗干扰能力，出现了很多的基准设置及比较方法，避免功率主回路出现频繁“打嗝”甚至停机的现象。此外如何安全地关断一只甚至多只并联处于过流之中的igbt也需要仔细考虑，目前多数采用软关断方法避免igbt进入“栓锁”状态。检测电路如图9所示。

 

 

图9　过流检测电路

3.4.2　欠压检测及保护
　　一般情况下，igbt栅极电压vge需15v才能使igbt进入深饱和;如果vge低于13v，在大电流时，ce之间过高的导通压降将使igbt芯片温度急剧上升;当栅极电压低于10v，igbt将工作于线性区并且很快因过热而烧毁;因此需要对vge的电压进行欠压检测。在2ed300c17-s、skypertmpro等全功能型驱动器的二次侧上都集成了该功能。
3.4.3　温度检测及保护
　　在一些公司生产的igbt模块上，还集成了温度传感器，只需将该温度传感器的信号连接到驱动器的相应检测电路上，就能实现驱动器对igbt温度的检测。由于传感器安放在igbt的芯片附近，可以更加真实地反映出igbt芯片的实际温度，所以可以更加可靠地保护igbt模块。
3.4.4　保护功能的逻辑处理
　　一旦igbt模块出现了上述的任何一个故障，都需要进入保护状态，所以保护功能的逻辑处理是最关键的一环，也是最难于设计的一环，而且一般也是由设计工程师自己来开发完成的。它的处理原则是:当某一只igbt出现了故障，要求保护逻辑处理做到:
(1)尽可能不停机;
(2)要防止事故进一步扩大;
(3)要求对报警信号进行真假的甄别。
这需要采取软件与硬件结合设计的方法来实现“智能保护逻辑处理”。系统不同，管理保护的逻辑处理设计也不同。一般采取的措施是:首先安全关断“问题igbt”，然后根据系统的要求判断是否需要关断更多的igbt，直至停机。同时要求每一个步骤都设定一个合适的延时，以便滤除伪信号。
3.5　短脉冲抑制功能
　　在驱动信号的传输过程中，由于干扰、计算误差等原因会造成在驱动信号上出现一些短脉冲，也叫“毛刺”;如果驱动器按照这些短脉冲进行相应的igbt开关，则会造成输出波形变差，因此必须对此类短脉冲进行抑制。

 

图10　短脉冲抑制功能

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