一種脈沖變壓器隔離的IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)研究

劉虹伶 劉明宇

（重慶大學(xué)，重慶 400044）

一種脈沖變壓器隔離的IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)研究

劉虹伶 劉明宇

（重慶大學(xué)，重慶 400044）

本文著重分析了變壓器隔離驅(qū)動的技術(shù)特點(diǎn)，討論了保護(hù)電路的基本要求，給出了一個(gè)具有保護(hù)功能的IGBT驅(qū)動電路和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)。分析及試驗(yàn)表明，該驅(qū)動電路簡單、適用、可靠。

IGBT驅(qū)動電路；脈沖變壓器隔離；短路保護(hù)

IGBT的驅(qū)動電路是PWM控制器與IGBT柵極之間的接口電路，它對系統(tǒng)的功耗和可靠性等方面有著很大的關(guān)聯(lián)性。目前驅(qū)動電路主要采用快速光耦或變壓器來實(shí)現(xiàn)隔離的。比之光耦隔離方式，變壓器隔離的電壓較高，延遲較小，可以實(shí)現(xiàn)較高的開關(guān)頻率，并且還具有可靠性高和不存在老化的突出優(yōu)點(diǎn)[1]。

本文針對變壓器邊緣耦合方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種新型驅(qū)動電路，具備占空比傳遞范圍寬、IGBT短路保護(hù)、正負(fù)脈沖輸出的功能，而且還具有結(jié)構(gòu)簡單可靠的特點(diǎn)。

1 變壓器隔離驅(qū)動的技術(shù)特點(diǎn)

變壓器只能傳輸交流，如果使用變壓器直接傳輸大占空比PWM信號，初級就必須串聯(lián)隔直電容，防止變壓器飽和。而變壓器次級的輸出波形，仍然滿足等伏·秒數(shù)原理，當(dāng)占空比減小時(shí)，輸出波形會整體上移，正脈沖幅值升高，必須采用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅，導(dǎo)致柵極電阻的附加損耗。而當(dāng)占空比加大時(shí)，輸出波形會整體下移，正脈沖幅值往往過低，會出現(xiàn)不能有效驅(qū)動的情況。因此變壓器直接隔離驅(qū)動主要用于占空比變化不大以及功率不大的場合。

主流的變壓器隔離驅(qū)動技術(shù)：變壓器僅傳輸PWM的微分脈沖信號，由于微分脈沖信號寬度很窄，當(dāng)占空比寬范圍變化時(shí)，只是微分脈沖的位置隨之變化，伏·秒數(shù)幾乎不會改變，變壓器僅對PWM波的邊緣進(jìn)行耦合，而且?guī)缀醪粋鬏斈芰?，因此變壓器的體積很小。所輸出的微分脈沖，再借助解調(diào)電路恢復(fù)出PWM。該方案雖然存在著要為次級回路提供工作電源以及結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的問題，但是具有隔離電壓高以及容易構(gòu)成大功率驅(qū)動器的突出優(yōu)點(diǎn)。

2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

2.1 PWM波重構(gòu)

將PWM波的邊緣微分脈沖重新轉(zhuǎn)換為PWM波，采用RS鎖存器最為方便。但是存在著當(dāng)PWM信號占空比為零時(shí)，RS鎖存器輸出電平不確定的問題。如果輸出的是高電平，則會導(dǎo)致IGBT非正常導(dǎo)通，必須避免。

為此，本文采用非門構(gòu)建的施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)PWM波的重構(gòu)，如圖1所示。

圖1 PWM波微分脈沖傳輸及其重構(gòu)

脈沖變壓器T的輸出是PWM的微分脈沖信號，非門型號選擇為74LS14，本身就是施密特結(jié)構(gòu)的，有確切的閾值電壓VT+、VT-和對應(yīng)的輸入電流IT+、IT-，因此便于參數(shù)計(jì)算。

74LS14的參數(shù)表中給出的上述主要參數(shù)，列出了最大值、最小值、典型值，它是集成電路參數(shù)分散性的結(jié)果。本文的參數(shù)計(jì)算，包容這種分散性，避免對集成電路參數(shù)的篩選工作。該電路的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是電阻R1、R2，決定著PWM波重構(gòu)的精度和可靠性。

1）確定R2的上限

當(dāng)PWM上跳沿到來時(shí)，對應(yīng)的微分脈沖上跳，其峰值為V2=+5V。當(dāng)微分脈沖大于IC1的VT+后，IC2輸出高電平VOH。當(dāng)微分脈沖回零后，必須能夠維持IC2輸出的高電平狀態(tài)，直到負(fù)微分脈沖到來為止。為此，Va必須滿足

即滿足

為了準(zhǔn)確重構(gòu)PWM波：VOH取為最小值2.7V；VT-取為最大值1.0V。如果取R1=1kΩ，解得R2≤2.1kΩ。

2）確定R2的下限

PWM下跳沿到來時(shí)，對應(yīng)的微分脈沖下跳，其理論峰值應(yīng)為-5V。而實(shí)際情況是：下跳脈沖是充電的微分電容C1在脈沖變壓器初級放電得到的，因此下跳脈沖的幅值，會因占空比不同而有所變化。當(dāng)占空比較大時(shí)，V2峰值可達(dá)-5V。而當(dāng)占空比很小時(shí)，由于正負(fù)脈沖出現(xiàn)重疊，微分電容充電不充分，放電峰值會自動降低，可以降至-2.5～-3.5V。因此為了確保最小占空比時(shí)，都能重構(gòu)PWM波，取V2=-2.5V。即在V2=-2.5V的條件下，IC2的輸出都能夠可靠翻轉(zhuǎn)，則Va應(yīng)該滿足：

即滿足

VOH取為典型值3.4V；VT-取為最小值0.5V。仍取R1=1kΩ，解得R2≥1.3kΩ。因此，綜合的結(jié)果：R1=1kΩ時(shí)，R2取值在1.3～2.1kΩ之間，故取R2=1.5kΩ。采用非門構(gòu)建施密特觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)PWM波的重構(gòu)，是本文設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特點(diǎn)。

2.2 電平變換和功率放大器

重構(gòu)的PWM波不能直接驅(qū)動IGBT。首先必須電平變換，將正脈沖提升至15V左右，負(fù)脈沖由零降至-5～-10V，本文設(shè)計(jì)取為-10V，因此最終輸出的脈沖峰峰值設(shè)計(jì)為25V。該脈沖再經(jīng)功率放大，即可用于IGBT的驅(qū)動，如圖2所示。

圖2 電平變換及功率放大電路

圖2 中，IC3采用高壓型集成開路門（如7406），其輸出端許用工作電壓可達(dá)30V，完全滿足峰峰值為25V的設(shè)計(jì)要求。+10V1電源將IGBT的E極電位確定為+10V，因此IGBT柵極的正脈沖為15V，負(fù)沖為-10V。功率放大采用射隨器，根據(jù)IGBT的容量可以選用一組或多組并聯(lián)輸出。圖中為兩組射隨器通過電阻R5、R6并聯(lián)輸出。

使用高壓型集成開路門進(jìn)行電平變換，射隨器進(jìn)行功放，具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、傳輸延遲小的突出優(yōu)點(diǎn)，這是本文設(shè)計(jì)的另一個(gè)突出特點(diǎn)。

2.3 IGBT保護(hù)電路

出現(xiàn)短路故障時(shí)，IGBT會流過很大的短路電流，驅(qū)動保護(hù)電路的主要功能就是要避免IGBT的損壞，典型的功能要求是：

1）由于IGBT關(guān)斷的往往是感性電流，因此不能直接進(jìn)行強(qiáng)行關(guān)斷，而應(yīng)該軟關(guān)斷。

2）保護(hù)動作，通常設(shè)定3～6μs允許短路時(shí)間，便于濾除尖峰擾動干擾，避免誤動作。

設(shè)計(jì)的保護(hù)電路如圖3所示。

圖3 保護(hù)電路

當(dāng)IGBT工作正常時(shí)，IGBT的飽和壓降Uce較低，主要由IGBT型號以及實(shí)際工作電流決定，如2～4V。此時(shí)，設(shè)計(jì)短路檢測電路的參數(shù)：VZ1、R14、R11、R12以及β10，應(yīng)使T10管飽和，IC5則輸出低電平，RS鎖存器的狀態(tài)僅由b點(diǎn)電位確定。在PWM波的上跳時(shí)刻，通過b點(diǎn)使RS鎖存器IC7的輸出端置為零，IC8輸出高電平（即IC8輸出開路狀態(tài)）。由于IC3、IC8均為開路門，此時(shí)d點(diǎn)波形則僅由IC3確定，因此d點(diǎn)波形與PWM波形一致，驅(qū)動器正常輸出，保護(hù)電路不工作。

當(dāng)出現(xiàn)短路時(shí)，Uce變高，T10管截止，延時(shí)電容Cx通過R11放電，在延時(shí)3～6μs的時(shí)間后，IC5輸出端上跳，RS鎖存器的IC7輸出端被置為1，則IC8輸出低電平，d點(diǎn)的電位會被IC8的輸出端通過R15、C4下拉，并且是按指數(shù)規(guī)律下拉，滿足緩慢降壓的軟保護(hù)要求，柵極電壓最終會被下拉至R15、R4對+25V的分壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果

對上述電路進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要電路參數(shù)取為：R1=1kΩ，R2=1.5kΩ，f=100kHz，重構(gòu)的PWM占空比調(diào)節(jié)范圍達(dá)1%～49%。圖4（a）所示為PWM波、邊沿微分脈沖耦合輸出、PWM重構(gòu)以及電平變換的波形；圖4（b）所示為IGBT的正常驅(qū)動波形；圖4（c）所示為IGBT過流保護(hù)時(shí)的驅(qū)動波形。

圖4 主要波形分析

4 結(jié)論

提出的新型驅(qū)動電路，功能全面，分別為以下幾個(gè)方面：①采用的是脈沖變壓器隔離的微分脈沖傳輸和PWM波形重構(gòu)的主流方案；②采用高壓集成開路門實(shí)現(xiàn)電平變換，不僅響應(yīng)速度快，能夠有效解決傳輸延遲問題，而且還能夠解決驅(qū)動器輸出波形的一致性問題；③能夠輸出+15V和-10V的驅(qū)動電壓，還能夠方便地進(jìn)行輸出功率的擴(kuò)容，滿足不同容量IGBT驅(qū)動的要求；④確保在驅(qū)動脈沖占空比很小或?yàn)榱銜r(shí)，輸出-10V的驅(qū)動電壓，避免IGBT的誤動作。短路保護(hù)電路，在檢測到短路狀態(tài)時(shí)，延時(shí)并且緩降柵壓后關(guān)閉IGBT，保護(hù)動作的延遲時(shí)間以及緩慢降壓的速率容易調(diào)節(jié)，抑制了IGBT當(dāng)出現(xiàn)過流以及短路保護(hù)時(shí)的失效問題，提高IGBT工作的安全性。

[1] 張黎, 尹向陽. 高壓大功率IGBT驅(qū)動模塊的技術(shù)特點(diǎn)[J]. 系統(tǒng)應(yīng)用, 2007(6): 86-89.

[2] 丁浩華, 陳明輝. 帶過流和短路保護(hù)的IGBT驅(qū)動電路研究[J]. 電力電子技術(shù), 1997(1): 30-32.

[3] 王華彪, 陳亞寧. IGBT和MOSFET器件的隔離驅(qū)動技術(shù)[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2006(5): 43-45.

Research and Design of an IGBT Drive Circuit for Pulse Transformer Isolation

Liu Hongling Liu Mingyu
(Chongqing University, Chongqing 400044)

The paper emphatically analyzes the technical characteristics of the transformer isolation drive and discusses the basic requirements of protection circuit. An IGBT drive circuit with protection function and key parameter design are proposed. The analysis and tests prove this drive circuit is simple, practical and reliable.

IGBT drive circuit; pulse transformer isolation; short circuit protection