基于CPLD的IGBT高压大功率驱动电路的研究

TelecomPowerTechnologiesJan.25,2007,Vol.24No.1

文章编号:1009󰀁3664(2007)01󰀁0014󰀁03研制开发

基于CPLD的IGBT高压大功率驱动电路的研究

陈󰀁俊,李晓帆,扶瑞云,张业茂(华中科技大学电气学院,湖北武汉,430074)

󰀁󰀁摘要:文中对几种基本的IGBT驱动电路进行了分析,介绍了一种基于CPLD的IGBT高压大功率驱动电路。该方案具有体积小、输出电流大、可靠性高等优点。实验证明了该方案的可行性。

关键词:CPLD;IGBT;功率驱动中图分类号:TN389

文献标识码:A

StudyOnDriveCircuitBasedOn

CPLDForHighVoltageandHighPowerIGBT

CNENJun,LIXiao󰀁fan,FURui󰀁yun,ZHANGYe󰀁mao

(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Inthispaper,severalbasicdrivingcircuitsofIGBTareanalyzed.AndadrivingcircuitbasedonCPLDisin󰀁troduced,whichcandrivehighvoltageandhighpowerIGBT.Theschemeisprovidedwiththeadvantagesofsmallvol󰀁ume,highoutputcurrent,highreliability.Theexperimentresultsaretoverifythefeasibilityofthisscheme.

Keywords:CPLD;IGBT;powerdrive

0󰀁引󰀁言

IGBT是20世纪80年代出现的新型复合型开关管,其集GTR和功率MOSFET的优点于一体,具有输入阻抗大、电压控制及驱动功率小、控制电路简单、耐压等级高、通断速度快和工作频率高等诸多优点,因

此备受亲睐,其广泛应用于各类开关电源、变频器等电力电子装置。

IGBT作为一种电力电子器件,其应用依赖于实际的电路条件和开关环境。为了保障其可靠工作,合理设计IGBT的驱动和保护电路是电路设计中的难点和重点,是整个设备可靠运行的关键环节。

[1]

图1󰀁双绞线传输式驱动电路

1.2󰀁光电耦合隔离式驱动电路

为了防止主电路与控制电路互相影响,一般需要将控制电路与主电路进行电气隔离。光电耦合隔离式驱动电路如图2所示,该电路通过将输入信号Ui经光电耦合器隔离后引入驱动电路,再经放大器放大由推挽电路T2、T3向IGBT提供门极驱动信号。T2通过+Uc得到一个正向门极电压,当T2截止、T3导通时得到一个负的门极电压并截止。另外设计了过电流保护装置。当过电流信号来时,IGBT脱离饱和状态,UCE升高,VD1检测到该信号,一方面通过光耦T向控制回路发信号,另一方面在较短的时间内降低门极电压使IGBT关断。

1󰀁几种基本的IGBT驱动电路

IGBT驱动电路的形式多种多样,为提高驱动电路的可靠性,减小驱动电路体积,国外厂家还推出了各

种IGBT集成驱动模块。下面介绍几种基本的驱动电路结构。

1.1󰀁双绞线传输式驱动电路

双绞线传输式驱动电路如图1所示,该电路中IGBT驱动电路采用双绞线直接驱动开关管。具体即采用正、负偏压双电源工作方式。门极驱动电路的输出线为绞合线。为抑制输入信号的振荡现象,在门极与发射极两端并联了一阻尼网络。另外,驱动电路的输出级与IGBT的输入端之间的连接串有一门极电阻。

收稿日期:2006󰀁08󰀁09作者简介:陈󰀁俊(1983󰀁),男,湖北人,华中科技大学硕士研究生,主要从事电力电子变换装置的研究。

[2]

图2󰀁光耦隔离式驱动电路

󰀁󰀁日本富士公司的EXB84系列即是采用了该方案。但由于光耦本身的特性,该方案的开关速度受到限制,开关频率最大只能达到40~50kHz[3]。

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󰀁󰀁󰀁

2007年1月25日第24卷第1期陈󰀁俊等:󰀁基于CPLD的IGBT高压大功率驱动电路的研究TelecomPowerTechnologiesJan.25,2007,Vol.24No.1

1.3󰀁变压器隔离式驱动电路

变压器隔离式驱动电路如图3所示,该电路通过变压器实现控制电路和主电路的电气隔离。其将脉冲信号经晶体管进行功率放大后再加到脉冲变压器T上,并由T隔离耦合经稳压管Z1、Z2限幅后驱动IG󰀁BT。驱动级不需专门的直流电源,简化了驱动电路结构,工作频率高。

为了让驱动信号有陡峭的上升沿和下降沿,必须使得M1和M2的开通关断时间尽量短,因此在充放电参数的选择上,必须尽量减少充放电回路上电阻的大小,同时二极管均应选择快恢复二极管。减小电阻的阻值可以增大驱动电流,提高开关速度,但是另一方面阻值减小,电路功耗也会相应增大,因此在实际中,应综合考虑快速性和功耗两个方面,合理选择元器件的参数。该电路中,MOS管M3主要是防止开关管的误导通。一旦CPLD检测到设备故障发生时,则发出保护信号使得M3导通,从而使T1可靠关断,这样即使CPLD仍发出驱动脉冲信号,亦可保证IGBT的驱动信号为零,保护开关管的安全。

图3󰀁变压器隔离式驱动电路

󰀁󰀁美国Unitrode公司UC3724󰀁3725系列即是采用该种电路。

2󰀁基于CPLD的IGBT驱动电路

上述IGBT驱动方案广泛应用于各种场合。但在实际应用中,由于特殊要求,需要更高的开关频率及更大的驱动电流,而仅靠现有的集成驱动电路模块无法满足要求。为此,本文介绍一种图腾柱结构的驱动电路,其输出电流大,输出驱动信号频率亦能达到100kHz以上。该方案框图如图4所示。

图5󰀁功率放大电路

2.2󰀁隔离输出电路

隔离输出部分如图6所示,为了保证驱动电路与主电路在电位上的严格隔离,采用了脉冲变压器输出的方式。由于IGBT的栅极G与发射极E之间的耐压为 20V左右,因此在栅极G上增加一保护电路,即在栅射极之间并联一个15~17V的双向稳压二极

图4󰀁驱动框图

管(图中由Z1,Z2组成)来限制所加栅极电压。通过并联10k󰀁的电阻R12,同时在IGBT的栅极串入二极管降低死区期间的信号电平,可以防止IGBT开关管的误导通。

󰀁󰀁其中CPLD芯片主要发出带死区的两路PWM脉冲信号,其幅值为3.3V,需经功率驱动电路放大后才能驱动IGBT开关管。

功率驱动电路主要分为两部分,一部分为功率放大,一部分为隔离输出。2.1󰀁功率放大电路

该驱动电路中,为了保证驱动电路的驱动电流足够大,采用了由MOS管M1、M2构成推挽输出级,如图5所示。其基本工作原理如下所述:当输入qa由低变高时,三极管T1饱和导通,而T2则截止。二极管D1开始导通,此时M1和M2栅极分别通过R5、D1、T1组成的回路和D3、R7、D1、T1组成的回路放电,则M1导通,M2截止,输出Ua为高电平。当输入qa由高变低时,则恰好相反,T1关断,T2导通,D1截止,此时M1和M2栅极分别通过T2、R6、D2组成的回路和T2、R8组成的回路充电,使得M1截止,M2导通,输出Ua为低电平。

图6󰀁隔离输出电路

3󰀁实验结果及分析

为验证上述方案的可行性,采用由CPLD控制输

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󰀁2007年1月25日第24卷第1期

TelecomPowerTechnologiesJan.25,2007,Vol.24No.1

入400Hz的脉冲信号进行实验。其它的实验参数分别选取为:R1=R2=5.6k󰀁,R3=R4=R9=R12=R13=10k󰀁,R5=R8=3.9k󰀁,R6=R7=360k󰀁,R14=150k󰀁,R15=47k󰀁,D1~D11均采用1N4148。实验波形如图7、8、9所示。

横轴:1ms/格纵轴:50V/格

图9󰀁IGBT集电极与发射极两端电压

IGBT开关管上驱动信号。图9为IGBT集电极与发

射极两端电压,其幅值为218V。从输出波形可以看出,该驱动电路能够实现IGBT的可靠开通关断,具有良好的驱动特性。

4󰀁结󰀁论

以上结果表明,本文所介绍的是一种实用、有效、带负载能力强的驱动电路。本方案不需要太多的独立电源,在开关管器件较多的情况下,能够减少驱动电路的成本与体积,可靠地驱动IGBT等电力电子开关器件。因此本方案可以广泛应用于高压大功率场合。参考文献:

[1]󰀁陈󰀁坚.电力电子学[M].北京:高等教育出版社,2002.[2]󰀁李冠一.IGBT驱动器的分析与选择[J].上海冶金高等

专科学校学报,1999,20(2):103󰀁106.

[3]󰀁潘江洪,苏建徽,杜雪芳.IGBT高压大功率驱动和保护

电路的应用研究[J].电源技术应用,2005,8(11):51󰀁58.

󰀁󰀁图7为CPLD发出的两路带死区的驱动信号qa,qb,幅值为3.3V;图8为经过功率放大电路后的

(上接第13页)

󰀁󰀁RSD1、RSD2芯片直径分别󰀂36mm、󰀂18mm,由式(4)计算的RSD1、RSD2预充需要的预充电荷量为:

QR1S1=1.3!10

-5-6

的预充时间t3及预充电流IRSD1的要求。

实验证明,采用可饱和脉冲变压器触发RSD是可

行的。本文提出的可饱和脉冲变压器设计的方法也为更高电压等级的脉冲变压器设计提供借鉴作用。参考文献:

[1]󰀁李正瀛.脉冲功率技术[M].北京:水利水电出版社,1992.

[2]󰀁余岳辉,梁琳,李谋涛,等.超高速半导体开关RSD的

开通机理与大电流特性研究[J].电工技术学报,2005,20(2):36󰀁40.

[3]󰀁GrehovIV.Newprinciplesofhighpowerswitchingwith

semiconductordevices[J].Solid󰀁StateElectronics,1989,32(11):923󰀁930.

[4]󰀁王瑞华.脉冲变压器的设计[M].北京:科学技术出版

社,1996.

C

QR2S2=3.3!10C

实际RSD1、RSD2预充的电荷量为:

IRSD1t3=7.2!10-4CIRSD2t1=7.2!10-4C

均满足触发要求。

4󰀁结󰀁论

RSD作为一种新型大功率半导体器件,有着良好的应用前景。本文提出的利用可饱和脉冲变压器触发RSD的方法给RSD应用提供了一种方案。此脉冲变压器的设计关键是要满足变压器饱和时间t1、RSD2的预充电流IRSD2,以及磁开关的饱和时间t2+t3、RSD1󰀂16󰀂