三电平逆变器中IGBT驱动保护电路设计的可靠性研究

时间:2022-09-21 05:26:26

三电平逆变器中IGBT驱动保护电路设计的可靠性研究

【摘 要】探讨三电平逆变器IGBT驱动保护电路设计的可靠性,本文分析了三电平逆变器的IGBT驱动以及其保护电路,并且分析了设计该电路时应该注意的问题,研究了本驱动电路的可靠性。

【关键词】三电平逆变器;IGBT;驱动保护

三电平逆变器具有很大的优越性主要体现在其较低的耐压要求方面,使用该逆变器主元件可以具有原先一半的耐压性能,并且输出的机械波具有良好的波形。本设计使用的逆变器有IGBT元件12个,有相同数量个驱动,另外和二极管共同构成了中性点的钳位电路。本设计需要一种可靠、有效的实用型IGBT驱动保护电路,以确保电路的性能良好。

1.IGBT的使用条件

根据不同的功能要求,可以选取不同的驱动电路,在有些重要的大电流或者是昂贵的电子设备中,我们可以选取专门的IGBT驱动及保护芯片,可靠性 很高,但是在一些低成本,如家用电器中,这些驱动模块就不太实用了。IGBT是逆变器中控制功率开和关的元件,具有非常重要的地位。可以说全部系统的性能都由其掌控,因此驱动电路必须要有最佳的设计方案,否则整个系统就难以达到预想的性能。一般驱动电路应满足以下条件:

1)IGBT需要有一定的正反向栅极电压,并且需要足够高的正向电压值这样才能使器件的通态损耗量降到最低,不过电压不可太高,通常要求栅极电压<+20v。IGBT被关闭之后仍然要保持反向的栅极电压-5- -15v,这样做的目的是让关断时间减到最短,让存储在器件内的电荷在最短时间内抽出,最终可以增加IGBT耐压性能。

2)电路要对信号的输出和输入设备有隔离的作用,另外信号在传输的过程中必须要通达尽量不要存在延时的情况。

3)栅极电路的坡度一定要受到限制,这就用到了电阻,在回路中串联一个电阻就达到了这样的效果。在做好坡度的控制之后才能够使控制器的损耗得到较好的控制。栅极电阻栅极电压坡度IGBT开关过程时长开关损耗。栅极电阻取值范围为几Ω-几十Ω,影响其取值的因素是IGBT开关的频率和额定电压等。在使用IGBT的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

4)电路在短路时的保护功能必须要强大,也就是说要拥有完备的过压保护作用。尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块;尽量在底板良好接地的情况下操作。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

2.IGBT驱动电路的实现

驱动电路包括的组成部分为两方面,分别是驱动和载波部分。载波电路部分的组成有晶振、脉冲变压器等。该部分的工作原理是脉冲变压器一方面调制驱动信号另一方面需要通过高频信号来进行能量的传递。多谐振荡器组成成分是晶振和或非门,该振荡器能够产生高频的载波信号。

2.1驱动电路类别

可以归纳概括驱动电路为以下类型:

1)直接驱动:为了达到最佳的IGBT性能在TTL直接驱动IGBT的电路中可以设置T2、T3两个环节进行电路的缓冲,这样一来就能让开关运转的时间降低。电容在直接驱动电路中很好进行充电。

2)隔离驱动

隔离驱动采用的是电气隔离,工作原理是脉冲电压器接受经过晶体管放大的控制脉冲并且将其耦合、稳压之后使IGBT驱动。避免晶体管中出现过电压的方法是将续流二极管和脉冲变压器并接在一起。

2.2保护电路

过压保护发挥作用的情况有两种,分别是发射极和集电极之间存在过高的电压,另一种情况是浪涌电压太高。前者的主要情况是指存在输入端的异常导致的问题。对于这种情况的处理方法一般是设计IGBT的降额。当发现直流过压情况时将IGBT的输入断开,达到安全起见的目的。分布电感是产生浪涌电压保护的原因。IGBT在关断之时安全性因为过大的浪涌电压而受到严重威胁。一般为了降低过电压需要设置一个缓冲电路,具体要求是要最大程度地使布线电感得到降低,用最短引线的低感吸收电容与IGBT相连接。在系统工作量较大的时候就会产生过多的热量,这时IGBT中的电流量也很大,开关频繁,如果不能及时将产生的热量散发出去就会导致IGBT受到损坏。为了避免IGBT的温度过高一般要安装一个传感器来控制温度,当温度超过限定值时就要将IGBT的输入切断,达到系统电路过热时的保护目的。

3.电路的参数设置以及设计要点

从理论的角度来看载波信号需要高频率,频率高的情况下能够选择更小的变压器。但是除了考虑频率和变压器之外还要将响应速度考虑在内,所以综合考虑的结果就是频率最好不要过高,一般要<2MHz。电路的功耗要尽可能地降低,这体现在设计中就是利用了CMOS的集成电路,不过在对其进行调试的过程中发现应用该集成电路的缺点是导致了较大的噪声,因此引发的后果是变压器的温度过高,在衡量了功耗和变压器两个方面的利弊之后最终设计中采用的是TTL 74LS74。在高载波频率的前提之下我们可以减小脉冲变压器的体积。

4.结语

要保证IGBT具有较高的可靠性就必须要进行驱动电路的合理设计,除了设计之外还要采取足够的保护措施。通过试验证明三电平逆变器中IGBT驱动保护电路设计简单而且具有较强的可靠性,在信号的输入和输出过程中产生的信号延时比较小。IGBT电路保护具有多种功能,其中主要包括对短路信号的检测和使栅极电压缓慢延时降低。三电平逆变器电压具有的一个显著优点是使辅助电源的问题得到了解决,三电平逆变器中IGBT驱动保护电路设计目前应用广泛、运行良好。

参考文献

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