4.驱动缓冲保护电路

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,XHC CUMT,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中国矿业大学徐海学院,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,驱动缓冲保护电路,1,2024/9/13,2024/9/13,2,驱动触发电路,SCR,： 触发,IGBT,：驱动,缓冲电路,保护电路,2024/9/13,3,同步信号为锯齿波的触发电路,2024/9/13,4,集成触发器,KJ004,电路原理图,2024/9/13,5,集成触发器,三相全控桥整流电路的集成触发电路,EUPEC,公司某,IGBT,参数表,提供足够的栅极电压来开通,IGBT,并在开通期间保持这个电压。,在最初开通阶段,提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证,IGBT,的开通速度。,在关断期间,提供一个反向偏置电压来提高,IGBT,抗暂态,dv/dt,的能力和抗,EM I,噪声的能力并减少关断损耗。,在,IGBT,功率电路和控制电路之间提供电气隔离，对,IGBT,逆变器,一般要求的电气隔离为,2500 V,以上。,在短路故障发生时,驱动电路会通过合理的栅极电压动作进行,IGBT,保护,并发出故障信号到控制系统。,IGBT,对驱动电路基本要求,IGBT,驱动电路基本形式有三种,:,直接驱动电路,脉冲变压器隔离输出驱动电路,有,无源、有源,（如,CONCEPT,公司的,2SD315A,和,SEMIKRON,公司的,SKH122,驱动器）和,自给电源,三种方式，其中自给电源方式又分为调制型自给电源（如,Unitrode,公司的,UC372,系列驱动器）和分时技术自给电源（如北京落木源公司的,TX-K,系列驱动器）,光耦隔离输出驱动电路,前沿技术：用由,LED-Si,光电池组构成的光压隔离器（,Photo Voltaic Isolator,，简称,PVI,）作为隔离驱动器件。无磁芯变压器（,CLT,）集中了光电耦合器，离散变压器和集成电平位移的优点（基本原理是在半导体之内植入微小变压器，提供电隔离和输入与输出之间的信号传输）,IGBT,驱动电路研究,（,a,）,IGBT,直接驱动电路,（,b),脉冲变压器隔离输出驱动电路,(c),光耦隔离输出电路,图,16,基本驱动电路,目前市场上常见的驱动器：,不隔离的直接驱动器：,TI,公司的,UC37XX,系列，美国,Fairchild公司的 FAN8800,，,Motorola,公司的,MC33153,，美国,IR,公司的,IR21XX,系列等。,光电耦合隔离驱动器有：美国,HP,公司生产的,HCPL- 316J,，日本富士,EXB8,系列,中国西安的,HL402,日本三菱公司的,M579,系列,日本英达,HR065,日本三社电机公司的,GH-03,系列等。,变压器隔离式驱动器有：瑞士,CONCEPT,公司的,2/6SD,系列,美国,Unitrode,公司,UC3726/3727,芯片对（须外接脉冲变压器）,德国,SEMIKRON,公司的,SKHI2,系列等。,注：北京落木源电子技术有限公司已经生产出的,TX-KA/B/C/D/E,系列几乎可替代上述任何型号,IGBT,驱动器，北京普尔盛电子公司生产的,IGBT,驱动器可替代,SEMIKRON,公司产品。,几款集成,IGBT,驱动芯片参数表,图,17,用双绞线传送,PWM,信号,图,19,用光纤传送,PWM,信号原理,图,18 HFBR,系列光信号发收原理图,PWM,信号传输的基本方式,IGBT,驱动功率和栅极驱动电流计算公式,图,20,栅极电荷与 关系,或者,一,EXB841( 4A),原理,（一）集成,IGBT,驱动模块研究,图,21 EXB841,内部原理图,图,23 (,容量扩展的,)EXB841,驱动电路,1000A/1200V,图,22 EXB841,典型应用电路,400A/600V,或,300A/1200V,图,24 M57959L,内部原理图,二,M57959L( 2A)/M57962AL( 5A),原理,图,25,典型,M57959L/57962AL,驱动电路,600V/200A,或,1200V/100A,a,） 双电源供电,b,） 单电源供电,图,26 (,容量扩展的,) M57959L/57962AL,驱动电路,1200V/400A,三,Unitrode,公司的,UC3726/UC3727,驱动芯片对,(4A),图,27 UC3726,芯片内部原理图,图,28 UC3727,内部原理图和工作波形（见下页）,d,）,UC3727,退饱和响应曲线,a,）,UC3727,输入波形曲线,b,）,UC3727,上升沿波形曲线,c,）,UC3727“,假过流”响应波形曲线,图,29 UC3726/3727,驱动,IGBT,典型应用电路,四,HCPL-316J( 2.5A),原理,图,30 HCPL-316J,内部原理框图,图,31 HCPL-316J,典型双电源供电应用电路图,1500V/150A,图,32,（容量扩展的单电源）,HCPL-316J,典型应用电路图,600V/200A(,驱动电流可扩展到,15A),五,CONCEPT,公司,2SD315A( 18A),产品,图,33 EUPEC,公司驱动模块结构图,图,34,图,33,中的,LDI,部分,图,35,图,33,中的,IGD,部分,图,36 2SD315A,应用电路图,(3300V/1200A),六 国产（陕西高科）,HL402,原理（,2A,）,图,37 HL402,内部结构原理图,图,38 HL402,驱动,IGBT,电路,图,39 IR2110,内部原理框图,图,40 IR2110,驱动半桥,IGBT,典型电路,(,特色是自举电源,),七,IR,公司,IR2110,集成驱动器,(2A),图,41,能用负偏压关断,IGBT,的,IR2110,驱动电路,图,42 SKHI22AH4,内部结构原理及与,IGBT,连接方法,八,SEMIKRON,公司的,SKHI21A/22B,驱动芯片,(8A),附图 北京普尔盛公司某款,IGBT,驱动器（可兼容,SKHI2,系列）,图,43 MC33153,驱动芯片内部原理框图,九,MOTOROLA,公司的,MC33153,集成驱动（,2A,）,图,44 MC33153,驱动,IGBT,电路图,图,45 FAN8800,内部结构框图,图,46 FAN8800,驱动,IGBT,电路,十,FAIRCHILD,公司的,FAN8800,驱动模块（,2A,）,十一 日本英达公司的,HR065,驱动芯片（,2.5A,）,图,47 HR065,内部原理图和驱动,IGBT,应用电路,十二 日本三社的,GH-039,型,IGBT,驱动模块,(6A),图,48 GH-039,内部原理和典型应用图,一 清华大学卫三民博士发表于,2001,年的一篇文章,图,49,卫三民设计双电源供电,IGBT,驱动与保护原理图,（二）分立元件,IGBT,驱动电路研究,二 北京航空航天大学博士王永发表于,2004,年的一篇文献,(,这个电路有缺陷,),图,50,王永设计单电源供电,IGBT,驱动与保护原理图,图,51 IGBT,驱动与保护原理图,C,三 韩国,LS Industrial systems,有限公司,jin-hong,kim,发表于,2007,年的一篇文献,IEEE,图,52,图,51,中虚线框内一类基本结构,图,53,图,52,电路各元件定时波形图,五、韩国收获公司变频器产品上所用驱动,图,54,某,560KW,变频器产品所用驱动板,图,55,某,400KW,变频器所用驱动板,图,56,某,250KW,变频器所用驱动板,小结,综上对各类驱动器内部原理和应用电路的分析，各类驱动器（无论是集成芯片还是分立元件构成）都是以满足,IGBT,驱动基本要求为目标，有的设计时增加某些功能（如电源欠压封锁、过流保护、降栅压逻辑控制，工作参数外部可调、缓降栅压，窄脉冲抑制等等），采用类似或不同的电路形式来实现所要求功能，各类驱动器都有其应用场合和局限性，根据性能和工作参数要求，价格也相差很大。具体分析见下页,:,日本富士公司生产的,EXB,系列。其特点,:,具有单电源,正负偏压,过流保护和低速过流切断功能,保护信号可输出供控制电路用,但负偏压不足、无欠压保护和过流自锁功能。,IR,公司推出的,IR 2110,集成驱动器。其特点是,:,设置了自举浮动电源,使用单电源来实现隔离驱动,对全桥驱动电路特别适用,但,IR 2110,自身不带隔离环节,且不能对,IGBT,实行欠饱和、过饱和保护。因此外围电路需增加隔离电路及抗饱和保护电路。,集成驱动芯片小结,CONCEPT,公司的,2SD315A,驱动模块。可用于驱动高达,1 700V,的,IGBT,。其特点,:,可选择控制逻辑电平,可选择工作模式与死区时间,可选择信号输入与状态输出的模式,其有短路过流保护和智能电源监控等功能。具有较为完善的保护功能,是目前大功率驱动器的首选模块。但是，,CONCEPT,公司,SCALE,系列由于针对,EUPEC,可以无缓冲运行的,IGBT,设计，而无短路软关断保护功能，缺乏通用性,。,Agilent,公司生产的,HCPL-316J,光电耦合驱动器件，其特点是：内部集成集电极,-,发射极电压（,UCE,）欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出的功能，兼容,CMOS /TTL,电平，采用三重复合达林顿管集电极开路输出，可驱动,150 A/1 200 V,的,IGBT,，最大开关时间,500 ns,，,“,软,”,IGBT,关断，工作电压范围,15-30 V,DSP,控制器与该器件结合可实现,IGBT,的驱动，使得,IGBT,欠饱和检测结构紧凑，低成本且易于实现。,M57962,采用,+15V,和,-10V,电源供电,IGBT,关断时可输出,-10 V,的偏压,在频率较高,负载过大,现场环境恶劣的情况下,关断更为可靠。,M57962,具有封闭性软关断功能。通过外部电容可设定,3-6us,的允许短路时间,以滤除瞬间尖峰扰动,;,超出允许时间后,立即降低栅极电压进行软关断并发出过流保护信号,同时启动内部定时器,;,延时,l,2 m s,后,在确认保护电路已经动作,(,输入低电平,),后,才会解除保护动作,恢复正常工作。因此软关断过程不会被输入的关断信号所打断。,所以分立元件构成的,IGBT,驱动电路由于其参数配置灵活，各类保护功能齐全，仍然有很大的应用空间，尤其是在一些大功率应用场合。,我们参照某公司变频器设计的分立元件构成的驱动器性能优良，设计巧妙，已通过正常通断和故障状态（欠压和过流）下的,PSPICE,仿真分析，短路保护动作时间和降栅压逻辑控制（即,1-2ms,内使输入,PWM,通断信号无效）时间及保护动作门槛电压可根据具体,IGBT,型号灵活调整，下一步是做,PCB,板，测量实验波形。,附：几款常用集成,IGBT,驱动芯片对比表,