富士IGBT模块应用手册 -7章 门极驱动电路设计方法

Qualityisourmessage7-1第7章门极驱动电路设计方法目录1.驱动条件和主要特性的关系..............................................................................7-22.关于驱动电流...................................................................................................7-33.空载时间的设定................................................................................................7-54.驱动电路的具体实例........................................................................................7-65.驱动电路设计、实际安装的注意事项...............................................................7-7本章中对IGBT的门极驱动电路的设计手法进行说明。第7章门极驱动电路设计方法7-21驱动条件和主要特性的关系表7-1表述了IGBT的驱动条件与主要特性的关系。由于IGBT的主要特性是随VGE、RG变化的，需要配合装置的设计目标进行设定。表7-1IGBT的驱动条件与主要特性主要特性+VGE上升–VGE上升RG上升VCE(sat)减小－－tonEon减小－增加toffEoff－减小增加开通浪涌电压增加－减小关断浪涌电压－增加减小dv/dt误触发增加减小减小电流限制值增加－减小短路昀大耐受量降低－增加(减小)*1放射杂波增加－减小*1：在N系列IGBT中内置有过电流限制电路。这种情况下，对于RG的上升，短路昀大耐受量也增加。1.1门极正偏压电压：+VGE（导通期间）门极正偏压电压+VGE的推荐值为+15V，下面说明+VGE设计时应注意的事项。(1)请将+VGE设计在G-E间昀大额定电压VGES=±20Vmax.的范围内。(2)电源电压的变动推荐在±10%范围内。(3)导通期间的C-E间饱和电压（VCE（sat））随+VGE变化，+VGE越高饱和电压越低。(4)+VGE越高，开通交换时的时间和损耗越小。(5)+VGE越高，开通时（FWD反向恢复时）的对置支路越容易产生浪涌电压。(6)即使是在IGBT断开的时间段内，由于FWD的反向恢复时的dv/dt会发生误动作，形成脉冲状的集电极电流，从而产生不必要的发热。这种现象被称为dv/dt误触发，+VGE越高越容易发生。(7)在U系列的IGBT的情况下，+VGE越高，短路电流值越高。(8)+VGE越高，短路昀大耐受量越小。1.2门极反偏压电压：-VGE（阻断期间）门极反偏压电压-VGE的推荐值为-5V到-15V。下面说明-VGE设计时应注意的事项。(1)请将VGE设计在G-E间昀大额定电压VGES=±20Vmax.的范围内。(2)电源电压的变动推荐在±10%范围内。(3)IGBT的关断特性依存于-VGE，特别是集电极电流开始关断部分的特性在很大程度上依存于-VGE。因此，-VGE越大，关断交换时的时间和损耗越小。第7章门极驱动电路设计方法7-3(4)dv/dt误触发在-VGE小的情况下也有发生，所以至少要设定在-5V以上。尤其是门极配线长的情况下要注意。1.3门极电阻：RG门极电阻RG的数值，在说明书中用测定交换特性时的标准门极电阻值表示。请将该值当做门极电阻RG的大致标准。以下说明RG设计时应注意的事项。(1)交换特性在开通和关断时均依存于RG，RG越大，交换时间和交换损耗就越大，但交换时的浪涌电压变小。(2)dv/dt误触发在RG较大时变得不太容易发生。(3)虽然N系列的IGBT的RG越大，短路昀大耐受量会增加，但由于电流限制值减少，因此，必须注意将装置的过电流跳闸水平设定在该限制值以下。当RG为标准门极电阻值（Tj=25℃）时，电流限制昀小值为额定电流值的2倍左右。请在注意以上依存性的前提下，选定昀适合的门极驱动条件。2关于驱动电流IGBT具有MOS门极构造，在交换时为了对该门极进行充放电，需要门极电流（驱动电流）从中流过。图7-1表示门极充电电荷量的特性。门极充电电荷量特性表示驱动IGBT所必要的电荷量，在计算平均驱动电流和驱动电力时使用。图7-2表示驱动电路的原理图和电压电流波形。驱动电路的原理是通过开关S1、S2交替转换正偏压电源和反偏压电源，转换时对门极充放电的电流为驱动电流，图7-2中以电流波形所表示的面积（斜线部分)与图7-1中的充放电电荷量相等。-VGEQ(C)VGE(V)+VGE(V)Qg：充放电电荷量-VGEQ(C)VGE(V)+VGE(V)Qg：充放电电荷量图7-1门极充电电荷量特性（动态输入特性）第7章门极驱动电路设计方法7-4++RGONOFFvGEigvGEig+VGE-VGE充电电荷量放电电荷量+VGE-VGERgVthＩGPＩGP++高速光耦合器RG光耦合器ONOFFvGEigvGEig+VGE-VGE+VGE-VGERgVthＩGPＩGP++RGONOFFvGEigvGEig+VGE-VGE充电电荷量放电电荷量+VGE-VGERgVthＩGPＩGP++高速光耦合器RG光耦合器ONOFFvGEigvGEig+VGE-VGE+VGE-VGERgVthＩGPＩGP光耦合器ONOFFvGEigvGEig+VGE-VGE+VGE-VGERgVthＩGPＩGP图7-2驱动电路原理图以及电压电流波形驱动电流的峰值IGP可由以下近似式求取。gGGEGEGPRRVVI+VGE：正偏压电源电压–VGE：反偏压电源电压RG：驱动电路的门极电阻Rg：模块内部的门极电阻表7-2所示为U系列IGBT模块内部门极电阻的一例。表7-2U系列IGBT模块内部的门极电阻值元件耐压(V)电流额定值(V)内部门极电阻值Rg(Ω)～200A0(无)300A、400A2.5600V600A1.7～50A0(无)75A～150A5150A～300A2.5225A～450A2个一组1.71200V600A、800A0.63从门极充电电荷量的特性（在说明书中分别以各种型号记载）的0V开始上升部分的斜度大体上与输入电容Cies等效，而反偏压领域可以作为这个部分的延长考虑。因此，驱动电流的平均值IG，如图7-1所示，可利用门极充电电荷量特性作下述计算。GEiesgGGVCQfcIIfc：载流子频率Qg：从OV到+VGE为止的充电电荷量Cies：IGBT的输入电容第7章门极驱动电路设计方法7-5因此，设计时要保证驱动电路的输出段上能流过由这些近似式计算得出的电流IGP以及±IG。另外，如驱动电路的发生损耗均由门极电阻予以消耗，为了驱动IGBT所需要的驱动电力Pd可由下式表示。GEGEGEiesgVVVCQfconPd21)(GEGEGEiesgVVVCQfconPdoffPdPdonPdoffPd)()()()(因此，需要根据该近似公式计算出发生损耗，并选择能容许该发生损耗的门极电阻。请根据上述内容，设计能够提供驱动电流和驱动电力的驱动电路。3空载时间的设定在变频电路等中，为了防止上下支路的短路，需要在开通、关断切换时机上设定空载时间。如图7-3所示，在空载时间中，上下支路均变成“关断”状态。空载时间原则上要设定为比IGBT的交换时间（toffmax.）长。IGBT模块的空载时间通常设定在3μs以上。另外，由于加大RG会使交换时间变长，因此空载时间也有必要加长。此外，还必须考虑其他驱动条件和元件本身的特性、温度特性等（如果达到高温，toff也就变长）。当空载时间偏短时，由上下支路短路时发生的短路电流引起的发热，可能导致元件破坏，请充分注意。上支路门极信号下支路门极信号HLHLONONONOFFOFFOFF空载时间HLHLONONONOFFOFFOFF空载时间上支路门极信号下支路门极信号HLHLONONONOFFOFFOFF空载时间HLHLONONONOFFOFFOFF空载时间图7-3空载时间时间图第7章门极驱动电路设计方法7-6检测电流无负荷开放0A短路电流（进行元件结电容充电的电流）0A检测电流无负荷开放检测电流无负荷开放0A短路电流（进行元件结电容充电的电流）0A图7-4由空载时间不足引起短路电流的检测方法有一种可以判断空载时间的设定是否合理的方法是确认无负荷时直流电源线的电流。如图7-4的三相变频器的情况下，将变频的输出（U.V.W）成为开放状态，施加通常的输入信号，测定DC线的电流。即使空载时间充分，会有微小的脉冲状电流（经元件密勒电容而流过的dv/dt电流：通常为额定电流的5%左右）通过，如果空载时间不足，将会有更大的短路电流通过。这种情况下，请将空载时间延长到短路电流消失为止。由于温度越高，关断时间会变长，推荐该试验在高温状态下实施。另外，即使反偏压电压-VGE不足，短路电流也增加。在即使空载时间增加而短路电流也不减少的情况下，请增加反偏压电压-VGE。推荐反偏压电压-VGE≧5V。4驱动电路的具体实例在变频电路等中，IGBT与控制电路间必须有电绝缘。如下所示为用于这种用途的驱动电路实例。图7-5为使用高速光耦合器的驱动电路。通过使用光耦合器，使输入信号与元件绝缘。另外由于光耦合器对输出脉冲宽度没有制约，因此这种驱动电路适用于如PWM控制等脉冲宽度在大范围内变化的用途，现在使用昀为广泛。另外，通过安装2个门极电阻，能够分别设定开通和关断的特性。此外，还有在信号隔离上使用脉冲变压器的驱动方法。该方法由于能同时从信号端提供信号和门极驱动电力，从而可使电路简略化。但是，由于有开通/（关断+开通）时间比例昀大为50%、无法设定反偏压的制约，因交换频率和控制方式等因素它的用途受到限制。++VCCVEE++VCCVEE图7-5使用高速光耦合器的驱动电路实例第7章门极驱动电路设计方法7-75驱动电路设计、实际安装的注意事项5.1关于光耦合器的杂波耐受量由于IGBT是高速交换元件，因此在驱动电路中使用的光耦合器需要选用杂波耐受量大的类型（如：HCPL4504）。另外，为了避免误动作，光耦合器的初级侧和次级侧的配线不能交叉。另外，为了充分发挥IGBT的高速交换性能，推荐使用信号传递延迟时间短的光耦合器。5.2关于驱动电路与IGBT间的配线在驱动电路和IGBT间的配线长的情况下，门极信号的振荡和感应杂波会导致IGBT误动作。作为对策，有图7-6所示的方法。(1)驱动配线要尽量短，门极配线和发射极配线要紧密拧成一体（扭转状配线）。(2)增大RG，但是请注意交换时间、交换损耗。(3)门极配线和IGBT的主电路配线要尽量远离，布局时两者要正交（使相互间不受感应）。(4)不要和其他相的门极配线绑扎在一起。*1关于RGE：在门极电路不良或门极电路完全未动作的状态（门极开放状态）时，在主电路上外加电压时，IGBT可能破坏。为了防止这种破坏，推荐在G-E间连接10kΩ左右的电阻RGE。关于电源投入：对于电源投入，请先投入门极电路电源，使其完全动作后，再投入主电路电源。5.3关于门极过电压保护IGBT与其他的MOS型元件同样，需要在实施了充分的静电对策的环境下使用。另外由于G-E间昀大的额定电压为±20V，因此如果外加的电压有可能超出该电压时，如图7-7所示，需要在G-E间连接齐纳二极管等保护措施。RG门极驱动电路配线电感RGE*1RGRGE*1RG门极驱动电路配线电感RGE*1RGRGE*1图7-6门极驱动电路实际安装时的注意点C（Collector）E（Emitter）G（Gate）E（AxiallyEmitter）C（Collector）E（Emitter）G（Gate