IGBT驱动电路的应用与改进技术

文章编号:1000-5080(1999)01-0010-04
IG BT 驱动电路的应用与改进技术3
朱锦洪1　丁　吉吉2　梁文林2　刘兆魁2　史耀武3
(1.洛阳工学院材料工程系,河南洛阳　471039;2.洛阳工学院电气工程系,河南洛阳　471039;3.北京
工业大学,北京　100022)
摘要:对IG B T 驱动电路特性进行了详细分析,就EX B840/841提出了应用和改进技术,在逆变焊机中得
到了成功应用。

关键词:双极晶体管;驱动线路;逆变器;焊机
《资料法》分类号:TG 43411
文献标识码:A
3河南省科委攻关重点资助项目(974061000)
朱锦洪:男,1965年生,讲师,西安交通大学在读博士生
收稿日期:1998207202
0　前言
在IG B T 逆变器的设计中,驱动电路性能有着重要影响,采用混合集成驱动电路(HyIC )可简化设计并保证较好的稳定性。

在国内,日本FUJ I 公司的EX B840/841较为流行,具有单电源、正负偏压、过流检测和保护软关断等主要特点,是一种比较典型的电路。

本文根据对多种弧焊逆变电源设计的实际经验,对驱动电路的特性进行了全面分析,较详细地介绍了其应用和改进技术。

1　驱动电路原理
图1为EX B840/841的功能方框图和参考电路[1]。

驱动与保护是HyIC 的主要功能,这里采用Vce 检测识别过流并予以软关断保护。

图1　驱动电路原理
在IG B T 截止期间,T2、T3饱和导通起到封锁作用,使驱动脉冲关闭,同时也使过流检测失效,IG 2B T 门极将被加上反偏压。

驱动脉冲到来时,T2、T3解除封锁,若无过流,即有驱动脉冲输出,同时C1被充电为软关断作准备;若此时过流,则经过C2进行延时,使T4饱和导通实施软关断,即C1放电使驱动信号缓降。

第20卷　第1期1999年 3月 洛　阳　工　学　院　学　报Journal of Luoyang Institute of Technology Vol.20No.1March 1999
在电路的2,5端外接光电耦合器和电阻,可将过电流信号传输至控制电路,以进行相应保护。

图2为过流保护时的工作波形。

图2　过流保护波形2　驱动电路特性
目前由于IG B T 主要依赖进口,而实际应用的器件种类不同,尚缺乏全面
测试手段,以及应用线路设计有不同要求和特点,因此,驱动电路的保护特性
必须与器件和电路相适应,才能进行可靠有效地保护,
2.1　IG B T 过流保护影响因素
IG B T 安全工作区有FBSOA 、RBSOA 和SCSOA (非重复短路安全工作
区)。

SCSOA 决定了其过流时的允许极限参数。

对于不同的器件种类,其参数亦不同。

通常电流为3
～10倍的额定电流,电压大多为略带收缩的递减曲线。

在最大短路允许峰值电流下,IG B T 的允许承受时间T sc 一般为μs ,对于不同的器件种类,可在5～15
μs 范围内变化。

利用驱动电路检测过流,并及时予以软关断,可以降低过流峰值,避免尖峰电压,防止动态擎住,延长允许的过流时间,是一种合理和较好的保护方法。

另外,器件若处于重复过流状态下,高频工作下将很快损坏。

其时间间隔决定了允许过流的次数,一般不大于100次。

因此过流后需进行关闭保护。

2.2　EX B840/841性能分析驱动电路在应用中,合适的动作电流、保护时间和关断速度是重要的[2]。

EX B840/841驱动电路在应用中存在的主要问题如下。

21211　存在保护盲区
从驱动脉冲输出到开始保护,大约有2.5
μs 的延迟时间,可以防止IG B T 导通时的误动作。

如果有这样的短时间过流,只要不超过SCSOA 极限,器件可以承受。

但如果工作脉宽小于这一时间,同时又存在过流,电路将连续工作而不能保护,从而很快导致IG B T 的损坏。

21212　无过流保护自锁功能
在过流保护时,自身只具有当前脉冲软关断功能,而不是完全关闭。

如果存在过流,它只能把正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲,连续工作亦导致损坏。

这就需要过流检测后,由外部控制电路在保证软关断后关闭脉冲,才能终止其输出。

21213　负偏压不足
EX B840/841使用单一的20V 电源产生+15V 和-5V 偏压。

在高电压大电流的条件下,开关管通断会产生干扰,使截止的IG B T 误导通。

在实际应用中,负偏压嫌低。

21214　过流保护阀值太高
VCE 的过流识别值为7～7.5V ,远高于器件的饱和压降,当保护时IG B T 已经严重过流。

这就导致不可靠,使保护效果变差。

21215　软关断保护不可靠
过流保护后,在10
μs 内驱动信号缓降至零。

考虑到已经存在盲区时间,同时使用的器件因过流承受能力不同,往往虽然保护,器件已损坏或性能严重下降。

3　应用与改进
设计的弧焊逆变电源有单端和桥式电路,采用了EX B840/841驱动电路。

根据上述分析和实际要求,在应用中进行了以下措施和改进。

・11・第1期 朱锦洪等:IG B T 驱动电路的应用与改进技术
3.1　最小脉宽限制和PWM +PFM 控制方案
对于实际电路,保护延迟的设置是必要的。

为了进行有效的过流保护,对每一脉冲限制最小脉宽D min 使其大于盲区时间,这也避免了IG B T 过窄脉宽下的低输出大功耗状态。

D min 使输出电流下限提高,在短路状态下尤其突出,不能实现短路小电流(5A 以下)的GTA 焊接要求。

但是,通过控制电路的限流关闭进行PWM +PFM 混合控制,可满足各种状态下的不同控制要求。

3.2　外部保护锁定电路
EX B840/841无过流自锁,一旦产生过流,可通过外接光耦,将信号传输。

外部必须设计保护电路,经过一定延时以防止误动作和保证进行软关断,然后由触发器锁定。

该电路设计并不复杂。

3.3　关断保护性能的改善
驱动电路负偏压、保护动作电流以及软关断特性决定着EX B840/841工作的可靠性,并且相互有所影响,必须综合考虑。

负偏压不足是EX B840/841的缺点。

对于单端逆变电路,由于双管同时通断,在截止期间一般不会受到干扰导致直通,工作条件较好。

可按照推荐条件采用5V 负偏压。

对于桥式电路,特别是在电流较大时,存在两组管子较强干扰和直通可能,有必要适当提高负偏压,如采用8V 左右的负偏压。

偏高的保护动作阀值难以起到有效的保护作用,有必要予以降低。

但由于器件压降的分散性和温度影响,又不宜设置过低。

所以利用驱动电路进行保护的方法一般是用作短路等的辅助保护,仍须配合电流传感器进行过流保护。

为了适当降低动作阀值,已经提出过采用高压降检测二极管或采用串接反向稳压管及二极管的方法[3],但其调整受到较大限制。

本文设计了一种新的改进电路,如图3所示,实现了保护电压的连续调节和较准确的控制。

图3　驱动电路应用与改进 图4　软关断波形对比
鉴于软关断特性的不可靠,可进行如下调整。

当使用EX B840驱动IG B T 单管时,4,5端外加电阻可缩短其软关断时间。

当使用EX B841驱动IG B T 模块时,可在4,9端外加电容加以调整,并可避免过高的di/dt 产生电压尖峰。

图4为改进前后的波形对比,还可以看到,改进后还可较快地施加负偏压,进一步提高可靠性。

特别需要注意的是,负偏压和保护特性是互相影响的。

在通过外接稳压管提高负偏压时,正向驱动电压将下降。

这是因为内置的检测电路稳压管稳压值的限制,负偏压和保护阀值电压之和不得高于13V ,否则将被视为过流状态而不能正常工作。

因此,负偏压不宜变化太大,同时为保持正向电压可以适当提高电源电压。

如果采用外接缓冲级方法,正负偏压均可较大变化。

但内藏的过电流保护功能的控制时间的设定较为困难,难以再利用EX B840/841的过流软关断保护功能,故一般不推荐使用。

根据上述应用和改进技术,驱动电路成功应用在逆变焊机中,适应了不同的电路和器件种类。

在对器件进行选择和留有适当裕量的情况下,在试验条件下人为使其它限流保护功能失效并增加输出电流,对125A 的焊接电源,在130A 时驱动电路即可实现保护,并具有很好的重现性。

在实际运行中,很好地实现了IG B T 驱动和保护目的。

参　考　文　献
1　富士电机.功率器件和开关电源控制IC 应用,1998
2　王晓秋.EX B841的缺点及其改进措施.电力电子技术,1994,28(3):58～59
・21・ 洛　阳　工　学　院　学　报 1999年
3　张　平等.IG B T 应用中的过流保护.电力电子技术,1996,30(2):58～59
Using and Improving IG BT Driving Circuit
ZHU Jinhong 1　DIN G Zhe 2　L IAN G Wenlin 2　L IU Zhaokui 2　SHI Yaowu 3(1.Dep.of Mater.Eng.,Luoyang Inst.of Technol.,Luoyang 471039,China ;2.
Dep.of Electr.Eng.,Luoyang Inst.of Technol.,Luoyang 471039,China ;3.Beijng Univ.of Technol.,Beijng 100022,China )Abstract :The characteritics of IG B T driving circuit are analysed in detail ,the techniques of using and improving EX B840/841are presented ,which have been proved successful in welding inverters.
Key words :Bipolar transistors ;Driving circuits ;Iinverters ;Welding machines
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31・第1期 朱锦洪等:IG B T 驱动电路的应用与改进技术 。