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IGBT驱动保护电路EXB841与M57959L的研究

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IGBT驱动保护电路EXB841与M57959L的研究

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研究与设计          电焊机 ,Vol130 ,2000 (11) :29~31 ·29 · IGBT 驱动保护电路 EXB841 与 M57959L 的研究 熊腊森 ,刘长友 (华中科技大学 ,湖北 武汉 430074) 摘要 :介绍了 EXB841 与 M57959L 对 IGBT 的驱动与保护原理 ,并分析了这 2 种电路的特点 。 关键词 :短路保护 ;绝缘栅极型晶体管 ;短路安全工作区 中图分类号 :TG43413    文献标识码 :A    文章编号 :1001 - 2303 (2000) 11 - 0029 - 03 Study on IGBT drive and short2circuit protection circuit EXB841 and M57959L XIONG La2sen , LIU Chang2you ( Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074 ,China) Abstract : The principles of IGBT drive and short2circuit protection circuit EXB841 and M57959L are introduced in details and their character2 istics are also analysed. Key words :short2circuit ; IGBT; SCSOA 1  引言 IGBT 是一种复合全控型电压驱动式电力电子 器件 ,由于它的开关频率高 ,工作电流大 ,广泛应用 于变频器 ,开关电源等领域 ,是目前弧焊逆变器的理 想器件 。IGBT 的高输入阻抗使得驱动比较容易 ,其 短路电流可以达到额定电流的 6~10 倍[1] ,但超过 10μs的短路或短路措施不当极易诱导锁定失败 ,因 此 ,IGBT 的短路保护就显得尤为重要 。IGBT 的短 路保护要求在一定时间 (小于 10μs) 内将其短路及 保护关断时的 I2V 运行轨迹限制在短路安全工作区 内 ( SCSOA) 。图 1[2] 是德国 SEMIKRON 公司 1 200 V/ 100 A半桥 IGBT 模块的 SCSOA ( 测试条件 : Tj ≤ 150 ℃, Uge = ±15 V , Tsc ≤10μs ,L < 25 nH , I = 75 A , 图 1  SEMI100 GB123D 的 SCSOA Is 为短路电流 , Ie 为正常工作的电流) 一般来说 ,即使在最恶劣的情况下 , IGBT 也能 承受 10μs 的非重复性的短路热应力 ,若 IGBT 频繁 发生 在 短 路 —保 护 —正 常 —短 路 的 过 程 中 , 即 使 IGBT运行在 SCSOA 内 ,也会造成 IGBT 的失效 ,所以 IGBT在短路时最好采用封闭式保持软关断 。 2  EXB841 对 IGBT 的驱动与保护 EXB841 是日本电机公司生产的 IGBT 驱动模 块 ,为单列直插式结构 ,采用高隔离电压光耦合器作 为信号隔离 ,其内部原理图如图 2[3] 。 (1) 正常导通状态 当 14 脚与 15 脚有 10 mA 的电流流过时 ,A 点为低 电平 ,V1 、V2 截止 ,V4 导通 ,V5 截止 ,3 脚输出高电平而使 IGBT在 1μs 内导通 ,此时电源通过 R3 向 C2 充电 ,若要 击穿稳压管 ,则 B 点电位应升至 1317 V(稳压管的击穿电 压为 1317 V ,文字分析中所提到的电压均相对 9 脚而 言) 。设 B 点电位由 0 V 升至 1317 V 所需时间为 t ,则 20 (1 - e- t/ τ 1 ) = 1317 τ1 = R3 C2 求得 : t = 2180μs 即若要击穿稳压管 ,电容 C2 需充电 2180μs ,但 在 15 、14 脚间加高电平 1 μs 后 IGBT 就已经导通 ,   收稿日期 :2000 - 08 - 07   作者简介 :熊腊森 (1947 —) ,男 ,湖北人 ,副教授 ,1983~1984 年美国威斯康星大学机械工程系访问学者 ,从事焊接技术教学与科研工作 。 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ·30 · 研究与设计          电焊机 ,Vol130 ,2000 (11) :29~31 VD7 的箝位作用使得 C 点电位箝制在 8 V 左右 (其 值与外部电路有关) ,故 B 点不会升至 1317 V 而击 穿稳压管 VS1 , E 点电位维持在高电平 。 图 2  EXB841 内部原理图   (2) 正常关断状态 脉宽调制器输出低电平时 , EXB841 的 14 、15 脚 无电流流过 ,V1 、V2 开通而使 D 点为低电平 ,V5 导 通 ,V4 截止 ,3 脚输出低电平从而关断 IGBT ,V1 导 通 ,C2 迅速放电 , B 点电位迅速降为零 , 6 脚则因 IGBT关断而悬空 ,VS1 继续截止 , E 点为高电平 ,但 因 VD6 的单向导通作用而不会影响 D 点电位 。 (3) 短路保护状态 若 IGBT 导通时因承受短路电流而退出饱和 , Vce上升很快 ,VD7 截止 ,EXB841 脚 6 悬空 ,C2 由 8 V 开始被充电 , B 点和 C 点电压由 8~13. 7 V 所需的 时间由下式确定 : 20 (1 - e- t/ τ 1 ) + 8e - t/ τ 1 = 1317 τ1 = R3 C2 求得 : t = 1. 60 μs ,此后 VS1 开通 ,C3 充电至 V3 的开启阈值后 ,V3 导通 ,C4 通过 R7 放电 ,C3 与 R7 组 成的放电时间常数 τ2 = C4 R7 = 4. 84 μs ,C4 放电不 会到零而会有 1 最低值 Ue ,此值可由下式确定 : 20 - Ue + 20 - UVD6 - Ue Ue = UV3 R8 R9 R7 求得 : Ue = 3. 53 V C4 放电电路等效为图 3 。 设 C4 上 电 压 为 u ( 设 VD6 的 导 通 管 压 降 为 0. 7 V ,V3 的管压降为 0. 3 V) ,则 20 R8 u + 20 - uR9 017 - C4 du dt = u - 013 R7 u (0) = 20 图 3  C4 放电等效图   求得 : u ( t) = 3153 + 16147e - at , a = 12 R8 C4 若电路发生短路 ,则只需 2. 8 μs 就能使 VS1 击 穿 ,但由于 VS1 击穿后 C3 充电需一段时间才能使 C3 上的电压充至 V3 的开启阈值 ,故实际 3 脚电位是在 短路后约 3. 5 μs 后才开始软降的 , E 点电位 (即 C4 的电压) 是按上式规律放电直至脉宽调制器输出关 断信号 ,此后 3 脚输出 0 V (相对 9 脚而言) 。若电路 发生短路 ,则 3 脚输出波形如图 4 所示 。 图 4  EXB841 在短路保护时 3 脚输出波形 若故障排除 ,且输入脉冲封锁电压由 3. 53 V 充 至 19. 3 V 所需时间由下式确定 : 20 (1 - e- t/ τ 3 ) + 3153e - t / τ3 = 1913 τ3 = C4 R8 求得 t = 136 μs , 即 故 障 排 除 后 至 少 需 经 过 136μs后 IGBT 才能正常工作 。 3  M57959L 对 IGBT 的驱动与保护 M57959L 是日本三菱电气公司为驱动 IGBT 而 设计的厚膜集成电路 ,配有短路/ 过载保护 ,具有封 闭性短路保护功能 ,其内部原理图如图 5 。 (1) 正常导通状态 VLC1 导通 ,比较器 VLC2 :B 的 6 脚为低电平 ,则 c 点为高电平 , d 点输出 + 15 V 使 IGBT 导通 (所有 电压均以电源的地作为参考) ,此时因 IGBT 正常导 通 ,故 a 、b 为低电平 、V7 导通 ,又因 R21和 R20大于 R19和 R18 , e 点为低电平而使 V6 截止 ,同时 VLC2 :A 输出高电平 ,V5 截止 ,f 、g 点为高电平 ,VLC3 不输出 故障信号 ,c 点通过 R14对 C12充电 。 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 研究与设计          电焊机 ,Vol130 ,2000 (11) :29~31 ·31 · 图 5  M57959L 内部原理图   (2) 正常关断状态 VLC1 关断 ,VLC2 :B 输出低电平 ,又因 VD10的单 向导通作用 ,使得此时 C2 上的高电平无法影响 c 点 电平而使 c 点保持低电平 , d 点为 - 10 V 的低电平 而使 IGBT 关断 ,此时 VLC2 :A 输出低电平 ,V5 导通 , g 点为高电平 , a 点因 IGBT 关断而悬空 ,因 VLC2 :A 输出低电平 ,故 b 点为低电平 ,V7 导通 , e 点为低电 平 ,V6 截止 , f 点为高电平而无故障信号输出 。 (3) 短路故障状态 若 IGBT 在导通时发生短路 ,则 a 、b 电压迅速 上升 ,经过保护盲区延时 (约 2. 5 μs) 而使得 V7 截 止 ,VLC2 :D 的 10 脚为低电平 , e 点为高电平 ,V6 导 通 ,有故障信号输出 , f 点为低电平 ,从而 h 点为低 电平 , a 点为高电平 ,进入封闭性软关断过程 ,此时 无论输入信号如何变化 ,VLC2 :B 的 6 脚 ,VLC2 :A 的 4 脚均为低电平 , V6 导通使 f 点为低电平 ( Uee) , 从而输出故障信号 ,C2 通过 R14 、R13放电使得 g 点 电压缓降 , d 点电压也缓降 ,从而实现软关断 ,这种 软关断过程不会被输入信号打断 ,直至 C3 放电结束 (约 1. 3 ms) , d 点输出高电平 ,若此时短路故障已排 除 ,则电路就可以恢复正常工作 ,若电路故障仍未排 除 ,则 d 点 ( 集 成 块 的 1 脚) 不 断 输 出 周 期 约 为 1. 3μs的低频窄脉冲 ,其前沿陡 、后沿缓 ,波形如图 6 所示 。 4  结论 (1) EXB841 和 M57959L 均能实现对 IGBT 的驱 动与保护 。 ( 2 ) EXB841 外 围 电 路 简 单 , 仅 需 单 电 源 ( + 20 V) 供 电 , 而 M57959L 则 需 双 电 源 ( + 15 V , - 10 V) 供电 。EXB841 在实现正常关断时仅能提供 - 5 V的偏压 ,在频率较高 ,负载过大 ,现场环境恶劣 的情况下关断就显得不可靠 。而 M57959L 则可输 出 - 10 V 的偏压 ,能可靠地关断 IGBT。 (3) M57959L 有封闭性软关断功能 ,而 EXB841 则无封闭性保护功能 ,在短路保护时 ,其栅压的软关 断过程会被输入的关断信号所打断 。 参考文献 图 6  M57959L 的短路保护时 5 脚的输出波形 [1 ]  华  伟. IGBT 驱动及短路保护电路 M57959L 研究 [J ] . 电力电子技术 ,1998 , (1) :88 - 90. [2 ]  Mitsubish Electric . 第三代 IGBT 和 IPM 应用手册 [ Z] . 港 菱电子技术发展有限公司 ,1995. [3 ]  王志良. 电力电子新器件及其应用 [ M] . 北京 : 国防工 业出版社 ,19951 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

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