IGBT应用电子电路设计集锦—电路精选（48） - 全文

IGBT绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。本文介绍了绝缘栅双极晶体管（IGBT）在不间断电源系统中的应用情况，分析了IGBT 在UPS 中损坏的主要原因和实际应用中应注意的问题。在UPS 中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT 既有功率MOSFET 易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低，通态电流大的优点、使用IGBT成为UPS 功率设计的首选，只有对IGBT的特性充分了解和对电路进行可靠性设计，才能发挥IGBT 的优点。本文介绍UPS 中的IGBT 的应用情况和使用中的注意事项。

IGBT电路原理图

IR2110驱动IGBT电路如图所示。电路采用自举驱动方式，VD1为自举二极管，C1为自举电容。接通电源，VT2导通时Cy通过VDt进行充电。这种电路适用于驱动较小容量的IGBT.对于IR2110，当供电电压较低时具有使驱动器截止的保护功能。自举驱动方式支配着VT2的导通电压，因此电压较低的保护功能是其必要条件。若驱动电压较低时驱动IGBT，则IGBT就会发生热损坏。VD1选用高速而耐压大于600V的ERA38-06、ERB38-06等二极管。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种MOSFET 与双极晶体管复合的器件。它既有功率MOSFET 易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低，通态电流大，损耗小的显著优点。据东芝公司资料，1200V/100A 的IGBT 的导通电阻是同一耐压规格的功率 MOSFET 的1/10，而开关时间是同规格GTR的1/10。由于这些优点，IGBT广泛应用于不间断电源系统（UPS）的设计中。这种使用 IGBT 的在线式UPS 具有效率高，抗冲击能力强、可靠性高的显著优点。　UPS 主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构。在线式UPS 以其可靠性高，输出电压稳定，无中断时间等显著优点，广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。本文以在线式为介绍对象，介绍UPS 中的IGBT的应用。

图1 在线式不间断电源主电路图

图1 为在线式UPS 的主电路，在线式UPS 电源具有独立的旁路开关、AC/DC 整流器、充电器、DC/AC 逆变器等系统，工作原理是：市电正常时AC/DC 整流器将交电整流成直流电，同时对蓄电池进行充电，再经DC/AC 逆变器将直流电逆变为标准正弦波交流电，市电异常时，电池对逆变器供电，在UPS 发生故障时将输出转为旁路供电。在线式UPS输出的电压和频率最为稳定，能为用户提供真正高质量的正弦波电源。

图3：应用IGBT 的旁路开关

整流器AC/DC

UPS 整流电路分为普通桥堆整流、SCR 相控整流和PFC 高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为50HZ，滤波器的体积重量较重，随着UPS 技术的发展和各国对电源输入功率因数要求，采用PFC 功率因数校正的UPS 日益普及，PFC 电路工作的基频至少20KHZ，使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少，不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到0.99，PFC 电路中常用IGBT 作为功率器件，应用 IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。UPS 的充电器常用的有反激式、BOOST 升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和较大的充电电流。3KVA 以上功率的在线式UPS 几乎全部采用IGBT 作为逆变部分的功率器件，常用全桥式电路和半桥电路，如下图4。

过电流损坏

为了避免IGBT 发生擎住效应而损坏，电路设计中应保证IGBT 的最大工作电流应不超过IGBT 的IDM 值，同时注意可适当加大驱动电阻 RG 的办法延长关断时间，减小IGBT 的di/dt。驱动电压的大小也会影响IGBT 的擎住效应，驱动电压低，承受过电流时间长，IGBT 必须加负偏压，IGBT 生产厂家一般推荐加-5V 左右的反偏电压。在有负偏压情况下，驱动正电压在10—15V 之间，漏极电流可在5～10μs 内超过额定电流的4～10 倍，所以驱动IGBT 必须设计负偏压。由于UPS 负载冲击特性各不相同，且供电的设备可能发生电源故障短路，所以在UPS 设计中采取限流措施进行IGBT的电流限制也是必须的，可考虑采用IGBT 厂家提供的驱动厚膜电路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它们对IGBT 的集电极电压进行检测，如果IGBT 发生过电流，内部电路进行关闭驱动。这种办法有时还是不能保护IGBT，根据IR 公司的资料，IR 公司推荐的短路保护方法是：首先检测通态压降Vce，如果Vce 超过设定值，保护电路马上将驱动电压降为 8V，于是IGBT 由饱和状态转入放大区，通态电阻增大，短路电路减削，经过4us 连续检测通态压降Vce，如果正常，将驱动电压恢复正常，如果未恢复，将驱动关闭，使集电极电流减为零，这样实现短路电流软关断，可以避免快速关断造成的过大di/dt 损坏IGBT，另外根据最新三菱公司IGBT 资料，三菱推出的F 系列IGBT 的均内含过流限流电路（RTC circuit），如图6，当发生过电流，10us 内将IGBT 的启动电压减为 9V，配合M57160AL 驱动厚膜电路可以快速软关断保护IGBT。

图5：IGBT 等效电路图

图6 三菱F 系列IGBT 的RCT 电路

过电压损坏

防止过电压损坏方法有：优化主电路的工艺结构，通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感；适当增加IGBT 驱动电阻Rg 使开关速度减慢（但开关损耗也增加了）；设计缓冲电路，对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复的二极管，电容必须是高频、损耗小，频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。常见电路有耗能式和回馈式缓冲电路。回馈式又有无源式和有源式两种，详细电路设计可参见所选用器件的技术手册。在UPS 中，逆变桥同臂支路两个驱动必须是互锁的，而且应该设置死区时间（即共同不导通时间）。如果发生共导，IGBT 会迅速损坏。在控制电路应该考虑到各种运行状况下的驱动问题控制时序问题。可通过降额使用，加大散热器，涂敷导热胶，强制风扇制冷，设置过温度保护等

IGBT欠压锁定保护（UVLO）功能

在刚刚上电的过程中，芯片供电电压由0V逐渐上升到最大值。如果此时芯片有输出会造成IGBT门极电压过低，那么它会工作在线性放大区。 HCPL316J芯片的欠压锁定保护的功能（UVLO）可以解决此问题。当VCC与VE之间的电压值小于12V时，输出低电平，以防止IGBT工作在线性工作区造成发热过多进而烧毁。示意图详见图1中含UVLO部分。

图1 HCPL-316J内部原理图

IGBT过流保护功能

HCPL-316J具有对IGBT的过流保护功能，它通过检测IGBT的导通压降来实施保护动作。同样从图上可以看出，在其内部有固定的7V电平，在检测电路工作时，它将检测到的IGBT C～E极两端的压降与内置的7V电平比较，当超过7V时，HCPL-316J芯片输出低电平关断IGBT，同时，一个错误检测信号通过片内光耦反馈给输入侧，以便于采取相应的解决措施。在IGBT关断时，其C～E极两端的电压必定是超过7V的，但此时，过流检测电路失效，HCPL-316J芯片不会报故障信号。实际上，由于二极管的管压降，在IGBT的C～E 极间电压不到7V时芯片就采取保护动作。

驱动电路方案设计

驱动电路的主要逻辑部件是芯片HCPL-316J。它控制IGBT管的导通、关断并且保护IGBT。它的输出功能可以简略的用下面的逻辑功能表来描述。（详见表1）

表1 HCPL-316J逻辑功能表

表格中最后一列为输出。当输出为High时IGBT导通，否则IGBT关断。IGBT导通需要同时具备最后一行的五个条件，缺一不可，即同相输入为高；反相输入为低；欠压保护功能无效；未检测到IGBT故障，无故障反馈信号或故障反馈信号已被清除。

根据上述输出控制功能，设计电路如图2。

图2 IGBT驱动电路

整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器（DSP-TMS320F2812）产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL-316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号 FAULT*给控制器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输出电路，目的是为了提高输出电流能力，匹配IGBT驱动要求。

当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电平时，推挽电路上管（T1）导通，下管（T2）截止， 三端稳压块LM7915输出端加在IGBT门极（VG1）上，IGBT VCE为15V，IGBT导通。当HCPL-316J输出端VOUT输出为低电平时，上管（T1）截止，下管（T1）导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开通关断过程。

IGBT驱动电路分析

如图是一个单项变频器IGBT驱动电路的一部分电路，输出只要有Q2那部分，如果A314J的VO端子输出电压不足是不是可以判定是A314J本身或者之前电路的问题，而不是之后电路的问题。

编者结语：

IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的优点，是UPS 中的充电、旁路开关、逆变器，整流器等功率变换的理想器件。只有合理运用IGBT，并采取有效的保护方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。