IGBT驱动电路要点.pdf

目录 1 引言1 2 IGBT驱动电路1 2.1 IGBT 简介1 2.2 IGBT 驱动电路选择2 2.3 驱动电路设计方案比较3 3 主电路设计5 3.1 主电路方案5 3.2 工作原理5 3.2.1 降压斩波电路主电路基本原理5 4 控制电路设计6 4.1 控制电路方案选择6 4.2 工作原理7 4.3 控制芯片介绍8 5 MATLAB 仿真 11 6 课程设计总结12 7 参考文献13 8 致谢 13 1 引言 随着电力电子技术的高速发展， 电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备 的种类也越来越多。 电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率 方向发展。开关电源因其体积小， 重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备 中得到广泛的应用。 伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高 效率的开关电源成为研究趋势。 开关电源分为 AC/DC和 DC/DC ，其中 DC/DC 变换已实现模块化， 其设计技术 和生产工艺已相对成熟和标准化。DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的 直流电压， 也称为直流斩波。 斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动 直流电动机或带蓄电池负载等。 IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用 IGBT作为全控 型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是 MOSFET 与双极晶 体管的复合器件。它既有MOSFET 易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流 容量大等优点。其频率特性介于MOSFET 与功率晶体管之间，可正常工作于几十 千赫兹频率范围内， 故在较高频率的大、 中功率应用中占据了主导地位。所以用 IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的 优点。 IGBT 降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领 域中有广阔的发展前景， 也由于开关电源向低电压， 大电流和高效率发展的趋势， 促进了 IGBT降压斩波电路的发展。 高频开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源， 通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等。 它能把电网提供的强电和粗电， 它是现代电子设备重要的“心脏供血系统” 。BUCK 变换器是开关电源基本拓扑结 构中的一种， BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变 换的直流斩波器， 即输出电压低于输入电压， 由于其具有优越的变压功能，因此 可以直接用于需要直接降压的地方。 2 IGBT 驱动电路 2.I IGBT简介 IGBT 是三端器件，具有栅极G ，集电极 C 和发射极 E 。它是个场控器 件，通断由栅射极电压 Uge 决定。 Uge 大于开启电压Uge(th) 时， MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。通态时电导调制效应使 电阻 R 减小，使通态压降减小。当栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。一般IGBT 的开启电 压 Uge （th ）在 25 度时为 26V左右，而实际一般驱动电压取1520V，且关 断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极 串入一只低值电阻有利于减小寄生振荡，该电阻值应随被驱动器件电流定额 值的增大而减小。 图 2.1 IGBT基本结构 2.2 IGBT 驱动电路选择 IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏 压 uGS 、负偏压-uGS和门极电阻 RG的大小，对 IGBT的通态电压、开关、开关损 耗、承受短路能力及du/dt 电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压uGS 的变化对 IGBT的开通特性，负载短路能力和duGS/dt 电流有较大的影响，而门 极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性， 负载短路能力和由duGS/dt 电流引起的误触发等问题。根据上述分析，对IGBT 驱动电路提出以下要求和条件： (1)由于是容性输出输出阻抗； 因此 IBGT对门极电荷集聚很敏感， 驱动电路 必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。 (2) 用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压uGS有足够 陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源 应提供足够的功率，使IGBT不至退出饱和而损坏。 (3) 门极电路中的正偏压应为 +12+15V；负偏压应为 -2V-10V。 (4)IGBT 驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响， RG较大，有利于 抑制 IGBT 的电流上升率及电压上升率， 但会增加 IGBT 的开关时间和开关损耗； RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。 RG的具体数据与驱 动电路的结构及 IGBT 的容量有关，一般在几欧几十欧，小容量的IGBT 其 RG 值较大。 (5) 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。 IGBT 的控 制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静 电措施情况下， IGBT的 G E极之间不能为开路。 2.3 驱动电路设计方案比较 一个理想的IGBT 驱动器应具有以下基本驱动性能： (1) 动态驱动能力强，能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。 当 IGBT 在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较大的损耗。 这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗会大大超 过 IGBT 通态损耗，造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IGBT 的开关 频率和输出能力，同时对 IGBT 的安全工作构成很大威胁。IGBT 的开关速度 与其栅极控制信号的变化速 度密切相关。IGBT 的栅源特性显非线性电容性质，因此驱动器须具有足够 的瞬时电流吞吐能力，才能使IGBT 栅源电压建立或消失得足够快，从而使 开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也不能过小，以免驱动 回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会 造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也容易在控制电路 中造成干扰。 (2)能向 IGBT 提供适当的正向栅压。IGBT 导通后的管压降与所加栅源电 压有关，在集射电流一定的情况下，Vge 越高， Vce 越低，器件的导通损耗 就越小， 这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， Vge 并非越高越好， Vge 过大，负载短路时Ic 增大， IL BT能承受短路电流的时间减少，对安全不 利，一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT 损坏的可能 性就越大。因此，在有短路程的设备中Vge 应选小些，一般选1215V。 (3)在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，能向IGBT 提供足 够的反向栅压。考虑到在IGBT 关断期间，由于电路中其他部分的工作，会 在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT 处于微通状态，增加管子的功耗，重则将使裂变电路处于短路直通状态， 因此，最好给应处于截止状态的IGBT 加一反向栅压(5 15V)，使 IGBT 在 栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。 (4)有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中，IGBT 与工频电网有 直接电联系，而控制电路一般不希望如此。另外，许多电路中的IGBT 的工 作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接藕合。因此驱动器具有电隔 离能力可以保证设备的正常工作，也有利于维修调试人员的人身安全。但 这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。 (5)具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极限电压一般为 ±20V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。 (6) 输入输出信号传输无延时。这不仅能够减少系统响应滞后，而且能 提高保护的快速性。 (7) 大电感负载下，IGBT 的开关时间不能过分短，以限制di dt 所形 成的尖峰电压，保证IGBT 的安全。 针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式， 采用光电耦合式驱动电路比较方便，该电路双侧都有源。 其提供的脉冲宽度不受 限制，较易检测 IGBT 的电压和电流的状态，对外送出过流信号。另外它使用比 较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us 的 时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。对于光电耦合式驱动电路可以用 EXB841 驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再 把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT 管。如图 2： E VD L R V Em 图 2.3 驱动电路 如图 2 所示， IGBT 降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。一般电气 隔离采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器， 光耦合器由发光二极管和 光敏晶体管组成， 封装在一个外壳内。 本电路中采用的隔离方法是，先加一级光 耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用的光耦是TLP521-1。为得到最佳的 波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。 原理：控制电路所输出的信号通过TLP521-1 光耦合器实现电气隔离，再经 过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。 3 主电路设计 3.1 主电路方案 根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来控 制电路的通断即改变占空比， 从而获得我们所想要的电压。 这就可以根据所学的 buck 降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简 化了电路结构。 而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流， 这种方 案把本该简单的电路复杂化， 不可取。至于开关的选择， 选用比较熟悉的全控型 的 IGBT管，而不选半控型的晶闸管， 因为 IGBT控制较为简单， 且它既具有输入 阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大 等优点。 3.2 工作原理 3.2.1 降压斩波电路主电路基本原理 降压斩波电路电路的原理图如图1 所示， 图 3.2.1 降压斩波电路主电路 此电路使用一个全控型器件V，图中为 IGBT，若采用晶闸管， 需设置使晶闸 管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD ，在 V 关断时给负载中电感电流提 供通道。 主要用于电子电路的供电电源， 也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等， 后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。 工作原理：当 t=0 时刻驱动 V导通，电源 E向负载供电，负载电压uo=E ， 负载电流 io 按指数曲线上升。 当 t=t1时控制 V关断，二极管 VD续流，负载电压 uo 近似为零，负载电流 呈指数曲线下降，通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小。 此电路的基本数量关系为： （1）电流连续时 负载电压的平均值为 (1-1) 式中， ton 为 V处于通态的时间， toff为 V处于断态的时间， T为开关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为 (1-2) （2）电流断续时，负载电压u0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续 的情况。 根据设计要求所给数据直流电源E=150V ，R=10 ，L 值极大，反电势 EM=30V， 周期 T=50s,t on=10s, 代入（ 1-1）和（ 1-2）计算得 Uo=30V，Io=0A。 斩波电路有三种控制方式： （1）脉冲宽度调制（ PWM）：保持开关周期 T不变，调节开关导通时间ton ， （2）频率调制：保持开关导通时间ton 不变，改变开关周期T。 （3）混合型： ton和 T 都可调，使占空比改变。 4 控制电路设计 4.1 控制电路方案选择 控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件 的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。 斩波电路有三种控制方式： 1. 保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间ton ，称为脉冲宽度调制或脉冲 调宽型； 2. 保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型； 3. 导通时间和周期 T 都可调，是占空比改变，称为混合型。 因为斩波电路有这三种控制方式，又因为 PWM 控制技术应用最为广泛， 所以 采用 PWM 控制方式来控制IGBT的通断。 PWM 控制就是对脉冲宽度进行调制的技 术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的 输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所 需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的， 也是等宽的， 仅仅是对脉 R EU I mo o EE T t E tt t U on offon on o 冲的占空比进行控制。 图 4.1 SG3525 引脚图 对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如 单片机、 CPLD 等等来输出 PWM 波，也可以通过特定的PWM 发生芯片来控制。因 为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM 发生芯片来进行连续控 制。 对于 PWM 发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图4.1 所示，它是 一款专用的 PWM 控制集成电路芯片， 它采用恒频调宽控制方案， 内部包括精密基 准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。 其 11 和 14 脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM 信号。脚 6、脚 7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电 路共同构成 SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端( 脚 3) 。 脚 1 及脚 2 分 别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分 放大器。根据系统的动态、 静态特性要求， 在误差放大器的输出脚9 和脚 1 之间 一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10 脚的电压为高电平时， 11 和 14 脚 的电压变为 10 输出。 4.2 工作原理 由于 SG3525的振荡频率可表示为： )37 .0( 1 dtt RRC f 4.1 式中: t C , t R 分别是与脚 5、脚 6 相连的振荡器的电容和电阻； d R 是与脚 7 相连的放电端电阻值。 根据任务要求需要频率为40kHz， 所以由上式可取 t C =0.01 F, t R = k1, d R =600。可得 f=40kHz，满足要求。 图 4.2 控制电路 SG3525 有过流保护的功能， 可以通过改变 10 脚电压的高低来控制脉冲波的 输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压 信号来进行过流保护， 同理也可以用 10 端进行过压保护， 如图 4.2 所示 10 端外 接过压过流保护电路。 当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用 将 10 脚的电位抬高，从而11、14 脚输出低电平，而当其没有过流时，10 脚一 直处于低电平，从而正常的输出PWM 波。 SG3525还有稳压作用。 1 端接芯片内置电源， 2 端接负载输出电压，通过1 端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2 所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比 减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。调节变位器使得1 端得到不同的基准电位， 控制输出脉宽的占空比， 从而可使得输出电压为50-80V 范围。 4.3 控制芯片介绍 本控制电路是以 SG3525 为核心构成 ,SG3525 为美国 Silicon General 公司 生产的专用， 它集成了 PWM 控制电路 , 其内部电路结构及各引脚功能如图4.3 所 示, 它采用恒频脉宽调制控制方案, 内部包含有精密基准源, 锯齿波振荡器 , 误差 放大器 , 比较器 , 分频器和保护电路等 . 调节 Ur 的大小 , 在 11,14 两端可输出两个 幅度相等 , 频率相等 , 相位相差 , 占空比可调的矩形波 ( 即 PWM 信号). 然后，将脉 冲信号送往芯片 HL402 ，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往 IGBT，对其触发，以满足主电路的要求。 图 4.3 SG3525A 芯片的内部结构 （1）基准电压调整器 基准电压调整器是输出为5.1V，50mA ，有短路电流保护的电压调整器。它 供电给所有内部电路， 同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于 6V时， 可把 15、16 脚短接，这时 5V电压调整器不起作用。 （2）振荡器 3525A的振荡器，除 CT 、RT端外，增加了放电 7、同步端 3。RT阻值决定了 内部恒流值对 CT充电，CT的放电则由 5、7 端之间外接的电阻值RD决定。把充 电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。这时 3525A的振荡频率可表为： )R3R7.0(C 1 f DTT S （3.1 ） 在 3525A中增加了同步端 3 专为外同步用，为多个 3525A的联用提供了方便。 同步脉冲的频率应比振荡频率fs 要低一些。 (3) 误差放大器 误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为80dB ，其大小由反馈 或输出负载决定， 输出负载可以是纯电阻， 也可以是电阻性元件和电容的元件组 合。该放大器共模输入电压范围在1.83.4V ，需要将基准电压分压送至误差放 大器 1 脚（正电压输出）或2 脚（负电阻输出）。 3524的误差放大器、 电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端， 3525A改为增加一个反相输入端， 误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相 端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。 (4) 闭锁控制端 10 利用外部电路控制10 脚电位，当 10 脚有高电平时， 可关闭误差放大器的输 出，因此，可作为软起动和过电压保护等。 (5) 有软起动电路 比较器的反相端即软起动控制端8，端 8 可外接软起动电容。该电容由内部 Vref 的 50A恒流源充电。达到2.5V 所经的时间为 8 C A50 V5.2 t 。点空比由小 到大（ 50）变化。 (6) 增加 PWM 锁存器使关闭作用更可靠 比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM 锁存器。锁存器由关闭电路置位，由 振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁 存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。 另外， 由于 PWM 锁存器对比较器来的置位信号锁存， 将误差放大器上的噪音、 振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重新置 位，有利于可靠性提高。 (7) 增设欠压锁定电路 电路主要作用是当IC 块输入电压小于 8V时，集成块内部电路锁定， 停止工 作（其准源及必要电路除外） ，使之消耗电流降到很小（约2mA ） 。 (8) 输出级 由两个中功率 NPN 管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出 100mA 。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是 低电平的一个电平状态中。 为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采 用推拉式电路，使关断速度更快。 11 端（或 14 端）的拉电流和灌电流，达100mA 。在状态转换中，由于存在 开闭滞后， 使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续 时间约 100ns。使用时 VC接一个 0.1 f 电容可以滤去尖峰。 另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高 （约 1V） 。 5 MATLAB仿真 1) 按原理图在 MATLAB 中搭建模块，搭建好的模型图如下 图 5.1 MATLAB 仿真图 2)设定20%，得出输出电流 0 I和电压 0 U及其波形如图 5.2所示 图 5.2 20%时 0 I和 0 U波形 6 课程设计总结 我经过将近 10 天的的电力电子课程设计，自我感觉获益不少。实际上当看 到这个任务书的时候本来觉得挺简单的，后来才发现我大概只知道一个主电路而 已，其余的驱动电路和控制电路等几乎是弄得我一头雾水。只知道以前做实验有 用过控制电路而不知道里面的内部是怎么接线的。于是通过看教科书和上网搜资 料，我在直流 -直流变流电路那一章中掌握了IGBT 降压斩波电路主电路的设计， 在 PWM 控制技术那一章中掌握了控制电路的设计，并且在网上搜到了一些书本 上并没有讲的知识。 10 天的设计，不仅让我加深了很多课本上的知识，更让我认识到了理论知 识与实践相结合的重要性，所谓“致知于行”。虽然已经会设计电路图了，但把 它画出来也不是件容易的事。 还有对一些软件的操作和使用更加熟练了。总而言 之，精力没有白费，我的知识面也拓宽了。 7 参考文献 1. 王兆安. 电力电子技术 . 机械工业出版社 .2009 2. 李传琦. 电力电子技术计算机仿真实验. 电子工业出版社 .2005 3. 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真. 机械工业出版 社.2006 4. 钟炎平. 电力电子电路设计 . 华中科技大学出版社 .2010 致谢 在此论文撰写过程中，要特别感谢我的导师XXX XXX老师的指导与督促，同 时感谢他的谅解与包容。没有高老师和张老师的帮助也就没有今天的这篇论文。 求学历程是艰苦的， 但又是快乐的。 X老师和 X 老师一丝不苟的作风， 严谨求实 的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时10 天，却给 以终生受益无穷之道。感谢XXX老师，XXX老师等对我的教育培养。他们细心指 导我的学习与软件使用， 除了敬佩老师们的专业水平外，他们的治学严谨和科学 研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。她们不 求回报，无私奉献的精神很让我感动，向她们表示由衷的感谢。 在这四年的学期 中结识的各位生活和学习上的挚友让我得到了人生最大的一笔财富。在此，也对 她们表示衷心感谢。