一種適用于大功率IGBT模塊串聯工作的新型驅動電路

試驗中,我們選擇Cbmax=470nF,此時截止時間為33. 65ms。需要說明的是,通過調整19腳的外接電阻的阻值,可以調整檢測的門限電平。

2. 4IGBT的串聯

(1)串聯IGBT電壓均衡

串聯IGBT工作的一個重要方面是對由于器件的離散特性與驅動電路的不匹配在器件兩端引起的靜態和動態不均衡。

靜態均衡可以在IGBT的C、E兩端并聯阻值較大的電阻R4來實現,如圖4所示。通過并聯電阻的分壓,保證在IGBT關斷期間每只IGBT兩端的電壓相等。該電阻必須參考IGBT的漏電流,在此基礎上進行合適的選擇,要使流過分壓電阻的電流比IGBT的最大漏電流大若干倍,同時要注意均壓電阻的阻值不能過分小,以免增加功率損耗。

動態均壓電路由圖4中的D1、R1、C1組成。在IGBT開始關斷或開始導通時,由于IGBT導通的離散性,必然有個別IGBT提前導通或提前關斷,在遲后導通和提前關斷的IGBT兩端,必然會產生尖峰電壓,在IGBT的兩端通過D1并聯電容C1,使尖峰電壓必須先對C1充電,這樣IGBT兩端的尖峰電壓的上升速度受到C1的限制,并可由并聯在每個IGBT兩端的C1分壓,由C1實現對動態尖峰電壓的均衡。在IGBT導通期間,由于D1的單向導電特性, C1通過R1、IGBT將儲存的電荷放掉,以便吸收IGBT下次關斷時產生的浪涌電壓。選擇R1時要考慮C1的放電時間常數,確定合適的阻值。

圖4IGBT的均壓電路

對于串聯IGBT來說,其動態不均壓最為嚴重的情況是由于IGBT導通延遲時間的差異引起的,在動態均壓效果良好的情況下, IGBT上的電壓變化將受到C1的限制。設每個IGBT能夠承擔的額外的電壓能力為△UIGBT,在串聯IGBT未完全導通時刻回路中的電流(可用IGBT完全導通時刻回路中的放電電流代替)是I,設該IGBT相對于其它IGBT的導通遲后的時間是△t,則均壓電容C1應滿足下式要求:

C1=I△t/△UIGBT而△UIGBT=VIGBT-UN/n

VIGBT是IGBT的額定工作電壓,UN是串聯IGBT的工作電壓,n是IGBT的串聯數量。根據上式可求出均壓電容C1,對R1的取值既要保證3R1C1≤脈沖寬度τ,以便在脈內使電容C1上的電荷通過R1放完,同時還要使其起到限流作用,即盡量取得大一些。

(2)串聯IGBT的保護

在多只IGBT串聯時,將IGD515EI的34腳(SD-SOA)應接入+5V。這樣,即使某個IGBT發生故障,故障的IGBT也不會提前關斷,而是將故障信號通過光纖送給控制電路,由控制電路關斷所有IGBT的驅動信號,所有的IGBT同時關斷,即使在出現故障的情況下也要保證串聯IGBT關斷的一致性。

為了防止IGBT柵極過壓,采用如圖1中D1、D2背對背15V穩壓管。為了防止IGBT過熱,在IGBT的散熱器上加溫度繼電器。同時,采用互感器檢測通過IGBT的電流,檢測的信號送至比較器與設定的電平值相比較。電流超過設定值時就輸出過流信號,由控制電路關斷IGBT的驅動信號。

2. 5IGD515EI使用的注意事項

(1) 10腳VCC與9腳GND之間的電容量不能比23腳Cs端與24腳COM端之間的電容容量小,并且該電容容量要小于250μF。

(2) IGD驅動器同功率管之間連線應該盡量短,不能超過10cm。連接每個功率管柵極、發射極,測量腳(漏極,集電極)的引線應采用絞合線。

(3)盡量減小電路的寄生電感。在我們設計的調制器中,將驅動電路和均壓電路設計成印制板,直接安裝在IGBT的管腳上,這樣可減小由于分布電感引起的反電勢過大現象。

(4)光纖發射端的限流電阻取值要合適,如果限流電阻偏大,光纖發射電流不夠,次級有毛草,影響模塊的輸出脈沖。

(5)模塊25腳G外接的限流電阻不宜太小(不能小于1Ω),視所驅動的功率管決定。

(6)當給模塊提供+15V電源、無驅動信號時,IGBT的G、E之間是-15V電平。正常工作時, IGBT的G、E之間脈沖如圖5所示。

圖5IGD515EI輸出的IGBT驅動波形

3試驗結果

最初我們使用2只IGBT模塊串聯作為剛管調制器的放電開關,工作電壓為2kV,前沿0. 2μs,波形如圖6所示。該調制器連續工作數十小時,輸出波形穩定可靠,證明驅動電路參數選擇合理。將取得經驗和試驗數據應用于10只IGBT串聯,工作于8kV的剛管調制器中也取得了良好的效果,其波形與圖6類似。

圖6調制器輸出電壓波形(500V/p, 5μs/p)