詳解高頻電源模塊驅動(dòng)電路設計

高頻電源模塊驅動(dòng)電路設計如下：
1、驅動(dòng)電路的基本要求

一個(gè)理想的IGBT驅動(dòng)電路應具有以下基本性能：

(1)動(dòng)態(tài)驅動(dòng)能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅動(dòng)電壓脈沖；

(2)IGBT導通后，柵極驅動(dòng)電路提供給IGBT的驅動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)，瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，柵極驅動(dòng)電路提供的驅動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區而損壞；

(3)能向IGBT提供適當的正向柵壓，一般取+15V為宜；

(4)能向IGBT提供足夠的反向柵壓，利于IGBT的快速關(guān)斷，幅值一般為5V-15V；

(5)由于IGBT多用于高壓場(chǎng)合，驅動(dòng)電路必需有足夠的輸入輸出電隔離能力且不影響驅動(dòng)信號的正常傳輸；

(6)具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿；

(7)輸入輸出信號傳輸具有盡可能短的延時(shí)；

(8)當IGBT負載短路或過(guò)流時(shí)，能在IGBT允許時(shí)間內通過(guò)逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現軟關(guān)斷；

(9)當出現過(guò)流、短路等情況時(shí)能迅速發(fā)出過(guò)流保護信號供給控制電路進(jìn)行處理。

2、驅動(dòng)器的選擇

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的驅動(dòng)器有日本富士EXB系列、日本英達HR系列、日本三菱M579系列及美國Unitrode公司的UC系列，它們功能大致相同，但也有許多不同之處。目前國內流行使用的EXB841不具備定時(shí)邏輯柵壓控制的功能，過(guò)流時(shí)若驅動(dòng)器入口信號消失，則其出口信號隨之消失而損壞IGBT，且關(guān)斷負壓－5V不夠可靠。

HR065的短路保護穩定，但可靠性差。經(jīng)過(guò)對比分析，我們選用日本三菱公司的M57962AL驅動(dòng)器。該驅動(dòng)器具有如下特點(diǎn):

(1)采用高速光偶隔離，輸入輸出隔離絕緣強度高 ；

(2)輸入輸出電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；   

(3)內部有定時(shí)邏輯短路保護電路，同時(shí)具有廷時(shí)保護特性； 

(4)具有可靠通斷措施(采用雙電源供電)；   

(5)驅動(dòng)功率大，可以驅動(dòng)600A/600V或400A/1200V的IGBT模塊。

M57962AL是厚模單列直插式封裝，如圖1所示，是從左至右依次編號，其中9～12為空端。各引腳功能如下：
• 　　1端和2端：故障檢測輸入端；
• 　　4端：接正電源VCC ；
• 　　5端：驅動(dòng)信號輸出端 ；    
• 　　6端：接負電源VEE ；
• 　　8端：故障信號輸出 ；
• 　　13端和14端：驅動(dòng)信號輸入端。

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圖1  M57962AL芯片的外觀(guān)尺寸圖

M57962AL芯片的內部結構及內部保護電路如圖2和圖3所示。

圖2  M57962AL芯片的內部結構圖

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圖3  M57962AL的內部保護電路圖

3、 驅動(dòng)電路的實(shí)現

IGBT的驅動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

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圖4  IGBT的驅動(dòng)電路原理圖

圖中Q1為由控制電路產(chǎn)生的驅動(dòng)信號輸入，fault為本驅動(dòng)電路在檢測到過(guò)流等故障時(shí)發(fā)出的故障檢測信號。C1、G1、E1分別接IGBT的源、柵、漏級。驅動(dòng)電路的供電采用單電源加穩壓管方式，主要考慮了以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

(1) 穩壓管D的合理選擇
，通過(guò)檢測IGBT的通態(tài)飽和壓降（即1腳的電壓U1）來(lái)判斷是否過(guò)流，當檢測出IGBT的柵極和源極同為高電平時(shí)就判斷為過(guò)流，此時(shí)降低柵極驅動(dòng)電壓。并通過(guò)光耦向控制電路發(fā)出故障信號。IGBT正常工作時(shí)的通態(tài)壓降一般為2.5V～3.0V。而M57962AL的過(guò)流檢測端的閥值電壓Ucs設計為10V。如此高的閥值電壓對諸如橋臂直通、負載短路等情況有一定的保護作用。但動(dòng)作非常遲緩，甚至起不到保護作用。因此必須降低過(guò)流保護閥值，方法是在檢測端串聯(lián)一穩壓管D2，通過(guò)實(shí)驗來(lái)確定穩壓管的穩壓值。它們之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：
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　　當芯片1腳的電壓U1達到過(guò)流檢測端的閥值電壓UCS，M57962AL軟降柵壓，同時(shí)發(fā)出故障信號。VD2選取越大則允許的VCE越小，IGBT允許流過(guò)的電流值亦越小。在本課題研究中，設定的管壓保護值為4.2V，對應的保護電流值為300A，所以采用的穩壓管D2的壓降為
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(2)VCC、VEE的選取
由于IGBT導通后的管壓降與所加正向柵壓有關(guān)，在漏源電流一定的情況下，正向柵壓增加時(shí)，通態(tài)壓降下降，器件導通損耗減小。但若發(fā)生過(guò)流或短路，正向柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT越易損壞。對集電極額定電流200A的IGBT來(lái)說(shuō)，VCC選擇+12V～+15V比較合適，在這一點(diǎn)通態(tài)接近飽和值，是IGBT工作的最佳點(diǎn)。而為使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給處于截止狀態(tài)的IGBT外加－10V左右的反向柵壓VEE比較合適。實(shí)現電路中考慮到簡(jiǎn)化輔助電源設計的因素，采用24V單電源外加9.1V穩壓管的方式為驅動(dòng)電路供電。即：VCC＝＋15V，VEE＝－9V。

(3)柵極電阻Rg的選取
柵極驅動(dòng)電阻的取值非常重要，適當數值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減緩開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。從安全可靠性角度來(lái)說(shuō)，應當取較大的柵電阻，但是，較大的柵電阻影響開(kāi)關(guān)速度、增加開(kāi)關(guān)損耗。從提高工作頻率角度，應當取較小的柵電阻。一般情況下，可靠性是第一位的，因此使用中傾向于取較大值的電阻。柵極電阻的最佳值應當通過(guò)實(shí)驗確定。本文中經(jīng)過(guò)實(shí)驗調試，選擇Rg=4.7Ω。

(4)電容Ctrip的選取

M57962AL與M57962L的不同之處就在于，M57962AL利用改變引腳2，4之間的電容Ctrip可以對短路保護檢測時(shí)間進(jìn)行調整，應用比較靈活。若2腳懸空，短路保護檢測時(shí)間為2.6μs，保護動(dòng)作太靈敏常容易引起誤動(dòng)作。為此，通過(guò)接在2，4腳之間一個(gè)電容Ctrip來(lái)調節保護時(shí)間，選取1000pF左右的電容，保護時(shí)間大約為3μs。若保護仍然過(guò)于敏感，可改用3300pF的電容，此時(shí)保護時(shí)間約為6μs。

此外，對于M57962AL驅動(dòng)電路，在以下兩種情況容易導致驅動(dòng)電路失去負偏壓：一是產(chǎn)生負偏壓的穩壓二極管D2被擊穿短路；二是驅動(dòng)電路在單電源供電時(shí)，因失去電源供電電壓的時(shí)候。此時(shí)若按傳統的M57962AL單電源供電的典型接法(如圖5)，并沒(méi)有保護信號給出，易造成IGBT的損壞。

 圖5  M57962AL的典型接法

針對上述情況，對M57962AL的外圍電路進(jìn)行了一些改進(jìn)（如圖4所示）。在正常情況下，D4導通，M57962AL的8腳為高電平，D1截止，VT導通，光耦輸出呈低阻態(tài)，故障信號為低電平，表現為無(wú)故障。過(guò)流保護時(shí)，D4導通，M57962AL的8腳為低電平，D1導通，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，故障信號為高電平，表現為有故障發(fā)生。如果穩壓二極管D2擊穿短路，則D4截止，VT截止，光耦輸出呈高阻態(tài)，同樣給出故障信號。如果驅動(dòng)電路失去+24V電壓，則光耦無(wú)電流流過(guò)，仍然表現為故障保護。這樣就避免了IGBT因為失去負偏壓或者失去供電而導致?lián)p壞。另外這里為了加快對故障信號的反應，故障保護輸出光耦選用高速光耦6N137。
　　
4  結語(yǔ)
性能優(yōu)越的驅動(dòng)電路是高頻電源模塊運行可靠的保證。采用驅動(dòng)器M57962AL實(shí)現IGBT的驅動(dòng)電路，可以使IGBT工作可靠，性能穩定。