基于SKHI22AH4R的IGBT驱动电路设计

时间:2022-06-04 10:09:30

基于SKHI22AH4R的IGBT驱动电路设计

【摘要】针对目前IGBT驱动电路复杂的缺点,本文以德国西门康公司SKM100GB12T4型号的IGBT半桥模块为例,基于SKHI22AH4R型号的驱动模块,设计一种简单、实用的IGBT驱动电路,来驱动IGBT全桥电路。搭建实验平台,通过DSP数字处理器控制,对DSP产生3.3V的PWM驱动脉冲控制波,进行升压隔离,得到两路互补的15V/-7V并带有3.3?s死区时间的驱动脉冲,满足电路的工作要求。根据实验结果分析,该驱动电路方案具有简单、可行和功能强大的优点。

【关键词】IGBT;驱动电路;SKHI22AH4R;DSP

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)由于其兼具BJT和MOS管的优点,在工业生产中备受青睐,但是目前IGBT的驱动电路都比较复杂[1]。因此,为了保证IGBT安全稳定的工作,对其进行方便可靠的驱动就成了关键问题[2]。本文针对德国西门康公司SKM100GB12T4型号的IGBT模块为例,以SKHI22AH4R型号的驱动模块为核心,设计一种简单、实用、功能强大的IGBT驱动电路。通过搭建实验平台,验证了该方案的可行性和有效性。

一、IGBT基本特性

IGBT相当于一个以GTR为主导器件,由MOSFET驱动的器件,如图1所示[3]。

图1 IGBT的等效电路、器件符号

1.擎住效应

IGBT作为四层式结构器件,体内存在着寄生晶闸管和短路电阻RS。而且,在短路电阻上的压降,相当于寄生晶闸管的正向偏置电压。当iC超过一定范围值时,就会使寄生晶闸管的栅极失去控制作用,即发生擎住效应。在IGBT关断的动态过程中,如果IGBT发生擎住效应,集电极电流就会增大,从而产生过高的功耗,导致IGBT器件损坏[4]。

2.米勒效应

IGBT的栅-射极和栅-集极间存在结电容CGE和CGC,漏电感LE,IGBT在开关的过程中会产生浪涌电压和浪涌电流,通过结电容加在栅极回路上,从而形成干扰电压。在IGBT关断的动态过程中,为避免IGBT发生米勒效应,解决办法主要有:同一桥臂的开关器件必须留有死区时间,避免因干扰产生直通;IGBT缓冲电路,来吸收尖峰过电压[4]。

3.IGBT开关特性及损耗

IGBT开关器件的损耗由开通损耗PSW(ON)、关断损耗PSW(OFF)和通态导通损耗Psat三部分构成。开关器件的平均总损耗为:

其中tON、tOFF为IGBT开通时间和关断时间;Vce(sat)为IGBT通态饱和压降;fs为开关频率;Vce为整流后的直流电源Ud;

因此,随着开关频率的增大,尤其是在频繁启动的情况下,就会发生擎住效应、米勒效应、开关功耗大等问题,导致IGBT极易损坏。为了保证IGBT安全稳定的工作,设计一种简单有效的IGBT驱动电路是十分必要的[4]。

二、SKHI22AH4R驱动模块介绍

综合考虑以上问题,针对本文选用德国西门康公司SKM100GB12T4型号的IGBT模块,包括两个IGBT器件,根据模块的工作要求,栅极驱动电压应满足+15V/-7V。而且为了避免同桥臂的两个IGBT由于同时导通而损坏,应设置死区时间3.3?s。

SKHI22AH4R型号的驱动模块,其内部结构如图2所示。两路驱动输入输出级(输入1、输入2、输出1和输出2),可以将+15V的两路互补PWM脉冲转换成+15V/-7V的驱动脉冲,用以直接驱动IGBT半桥模块。同时,内部有VCE监控和自动关断电路,可有效的进行短路保护。而且可以通过将P9接地、P5和P6悬空或接5V来设定驱动信号的死区时间。

图2 SKHI22AH4内部结构图

三、IGBT驱动电路设计

IGBT的开通和关断是由栅-射极电压来控制。能否真正的是实现智能化控制,很大程度上由驱动电路来决定。此外,IGBT器件在开关的过程中,由于擎住效应和米勒效应的存在,产生过高损耗导致损坏,因此IGBT的驱动电路设计的合理性和可靠性日益重要。

1.隔离升压电路

由于DSP(TMS320F2812控制芯片)事件管理器输出的PWM驱动控制脉冲的电压为3.3V,而驱动模块的输入信号电压为+15V。隔离升压电路如图3所示。

图3 隔离升压电路

采用6N137来实现3.3V到15V升压,而且能够达到数字信号和模拟信号的隔离效果。

2.电路

根据对IGBT栅极特性的研究,在实际应用的过程中,正的栅-射极驱动电压影响着IGBT的开关功耗;负的栅-射极驱动电压影响着IGBT的抗干扰能力。因此本文通过对电路的设计,来实现对IGBT的驱动控制,正向驱动电压为+15V,负向驱动电压为-7V。

通过对SKHI22AH4驱动模块的计算,得到电路的设计参数:IGBT开关器件开通电阻RON=3Ω,关断电阻ROFF=3Ω,RCE=18kΩ,CCE=0.33nF,具体的电路如图4所示。其工作模式:

1)正常工作

当SKHI22AH4正常工作时,产生满足IGBT模块开通和关断要求的驱动电压。即一组互补的驱动脉冲波,开通电压为+15V,关断电压为-7V,并且带有0.33?s死区时间。

2)发生异常

当SKHI22AH4发生异常时,VCE监控电压超过10V时,会给控制系统提供报警信号,同时锁住驱动脉冲。此时,驱动控制电压恒定在-7V的状态,IGBT关断。

图4 SKHI22AH4驱动模块电路

四、实验结果分析

搭建实验平台,以IGBT在感应加热电源中的应用为例[1],通过DSP实现对IGBT全桥电路的控制。

1.PWM脉冲的产生

通过DSP实现对IGBT感应加热电源的智能控制[5-7],事件管理器产生四路PWM脉冲,其电压值为3.3V,频率为20kHz。如图5所示。其中PWM7和PWM9是移相角可调的两路脉冲波,通过调节移相角,进一步实现对IGBT的导通和关断的控制。

图5 移相角可调的PWM脉冲波形

图6 IGBT驱动脉冲信号

其中PWM8和PWM7是互补的,控制IGBT基准臂的工作,而PWM10和PWM9是互补的控制IGBT移相臂的工作。为了避免同桥臂的上下两个IGBT同时开通,损坏开关器件,设定死区时间为3.3?s。

2.IGBT驱动控制脉冲

以PWM7和PWM8为例,通过隔离升压电路,产生两路控制信号,再经过SKM100GB12T4驱动模块,产生满足IGBT开关器件工作需要的=15V/-7V的驱动电压,其中死区时间为3.3?s。IGBT驱动信号如图6所示,导通时间和关断时间均满足设计要求。

五、总结

本文针对IGBT驱动电路复杂的缺点,设计了一种基于SKHI22AH4R驱动模块的IGBT驱动电路,并采用DSP进行驱动控制测试实验,实验结果表明,与传统的驱动电路相比,具有简单实用,响应快,功能完善、等优点,验证了该方案的合理性和正确性。

参考文献

[1]刘畅,黄正兴,.双闭环控制感应加热电源设计与仿真分析[J].电子器件,2012,35(6):736-740.

[2]孙娟,唐祯安,.数字锁相控制的IGBT感应加热电源[J].电子器件,2011,34(6):690-694.

[3]顾卫钢.手把手教你学DSP:基于TMS320F281x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011.

[4]李定宣,丁增敏.现代高频感应加热电源工程设计与应用[M].北京:中国电力出版社,2010.

[5]李宏.MOSFET、IGBT驱动集成电路及应用[M].北京:科学出版社,2012.

[6]曲学基,曲敬凯,于明扬,等.IGBT及其集成控制器在电力电子装置中的应用[M].北京:电子工业出版社,2010.

[7]齐海润,彭咏龙,李亚斌.串联型逆变器锁相控制技术研究[J].通信电源技术,2010,27(6):16-18.

作者简介:刘畅(1987-),女,辽宁大连人,硕士,大连职业技术学院助教,研究方向:微电子技术。

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