Anwendung von IGBT-Leistungselektronik
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IGBTs werden häufig in leistungselektronischen Geräten verwendet, die durch Wechselrichter und verschiedene Arten von Netzteilen dargestellt werden. Der IGBT vereint die Vorteile von bipolaren Leistungstransistoren und Leistungs-MOSFETs und bietet die Vorteile der Spannungsregelung, der großen Eingangsimpedanz, der geringen Antriebsleistung, der einfachen Steuerschaltung, der geringen Schaltverluste, der schnellen Schaltgeschwindigkeit und der hohen Betriebsfrequenz.
IGBTs hängen jedoch wie andere Leistungselektroniken von den Schaltungsbedingungen und der Schaltumgebung ab. Daher ist die Ansteuerungs- und Schutzschaltung des IGBT die Schwierigkeit und der Schwerpunkt des Schaltungsentwurfs, und sie ist die Schlüsselverbindung für den gesamten Vorrichtungsbetrieb.
1 IGBT-Betriebseigenschaften
Der IGBT ist ein Steuergerät vom Spannungstyp, das nur sehr wenig Ansteuerstrom und Ansteuerleistung benötigt und ohne zusätzliche Schnittstellenschaltung direkt an einen analogen oder digitalen Funktionsblock angeschlossen werden kann. Das Ein- und Ausschalten des IGBT wird durch die Gate-Spannung UGE gesteuert. Wenn der UGE größer als die Einschaltspannung UGE (th) ist, wird der IGBT eingeschaltet. Wenn zwischen dem Gate und dem Emitter ein Rückwärts- oder kein Signal angelegt wird, wird der IGBT ausgeschaltet. Gebrochen.
Wie ein gewöhnlicher Transistor kann ein IGBT im linearen Verstärkungsbereich, im Sättigungsbereich und im Sperrbereich arbeiten und wird hauptsächlich als Schaltvorrichtung verwendet. In der Ansteuerschaltung werden hauptsächlich die Ein- und Ausschaltzustände des IGBT untersucht, so dass die Anstiegsflanke beim Einschalten und die Abfallflanke beim Ausschalten steil sind.
2 Anforderungen an die IGBT-Treiberschaltung
Die folgenden Punkte müssen beim Entwurf eines IGBT-Treibers beachtet werden.
1) Die Größe der Gate-Vorwärtsansteuerspannung hat einen wichtigen Einfluss auf die Schaltungsleistung und muss richtig gewählt werden. Wenn die Vorwärtsansteuerspannung ansteigt, wird der Einschaltwiderstand des IGBT verringert, so dass der Einschaltverlust verringert wird. Wenn jedoch die Vorwärtsansteuerspannung zu groß ist, steigt der Kurzschlussstrom IC mit der UGE an, wenn die Last kurzgeschlossen wird, was dazu führen kann, dass der IGBT einen Halteeffekt hat, was zu einem Gate-Ausfall führt. Infolgedessen ist der IGBT beschädigt. Wenn die Vorwärtsansteuerspannung zu klein ist, verlässt der IGBT den Sättigungsleitungsbereich und tritt in den linearen Verstärkungsbereich ein, wodurch der IGBT überhitzt und beschädigt wird. im Gebrauch ist 12 V ≤ UGE ≤ 18 V bevorzugt. Die negative Vorspannung des Gates verhindert, dass der IGBT aufgrund eines übermäßigen Stoßstroms während des Abschaltens falsch geleitet wird. Im Allgemeinen wird eine negative Vorspannung mit 5 V gewählt. Außerdem sollte die Treiberschaltung nach dem Einschalten des IGBT eine ausreichende Spannungs- und Stromamplitude bereitstellen, damit der IGBT den Sättigungsleitungsbereich nicht verlässt und unter normalen Arbeits- und Überlastbedingungen beschädigt wird.
2) Das schnelle Ein- und Ausschalten des IGBT ist vorteilhaft, um die Betriebsfrequenz zu erhöhen und den Schaltverlust zu verringern. Die Schaltfrequenz des IGBT sollte jedoch bei großen induktiven Lasten nicht zu groß sein, da ein schnelles Ein- und Ausschalten zu einer hohen Spitzenspannung führt, die zum Ausfall des IGBT oder anderer Komponenten führen kann.
3) Die Auswahl eines geeigneten Gate-Vorwiderstands RG und einer Gate-Kapazität CG ist wichtig für die Ansteuerung des IGBT. RG ist klein, die Lade-Entlade-Zeitkonstante zwischen Gate-Emittern ist relativ klein, was beim Einschalten einen großen Strom verursacht, der den IGBT beschädigt; RG ist größer, was sich günstig auf die Unterdrückung von dvce / dt auswirkt, aber die Schaltzeit und den Schaltverlust des IGBT erhöht. . Ein geeigneter Schwerpunkt ist gut für die Unterdrückung von dic / dt, der Schwerpunkt ist zu groß und die Einschaltzeit ist verzögert. Wenn CG zu klein ist, ist der Effekt der Unterdrückung von dic / dt nicht offensichtlich.
4) Wenn der IGBT ausgeschaltet ist, wird die Gate-Emitter-Spannung leicht durch die parasitären Parameter des IGBT und der Schaltung gestört, was dazu führt, dass die Gate-Emitter-Spannung das Bauelement fehlerhaft leitet. Um dies zu verhindern, kann ein Widerstand parallel zwischen die Gates geschaltet werden. Um in praktischen Anwendungen hohe Spannungsspitzen in der Gate-Ansteuerschaltung zu vermeiden, ist es außerdem vorzuziehen, zwei Zenerdioden der Rückwärtsreihe parallel zwischen die Gitter zu schalten, und der Spannungsregelungswert sollte der gleiche sein wie der positive und der negative Gate-Spannungen.
3 HCPL-316J-Ansteuerschaltung
3.1 HCPL-316J interne Struktur und Funktionsprinzip
Wenn der IGBT ein Überstromsignal hat (der Pin 14 erkennt die Spannung am IGBT-Kollektor = 7 V) und das Eingangstreibersignal weiterhin an Pin 1 anliegt, ist das Unterspannungssignal niedrig und der B-Ausgang ist niedrig, der dritte Darlington-Pegel Die Röhre wird ausgeschaltet, 1 × DMOS wird eingeschaltet und die Spannung zwischen den IGBT-Gattern wird langsam abgefallen, um eine langsam abfallende Gatespannung zu erreichen. Wenn VOUT = 2 V ist, das heißt, VOUT gibt einen niedrigen Pegel aus, C-Punkt wird ein niedriger Pegel, Punkt B ist ein hoher Pegel, 50 × DMOS wird eingeschaltet und das IGBT-Gate-Array wird schnell entladen. Das Signal auf der Fehlerleitung durchläuft den Optokoppler und dann das RS-Flip-Flop, und der Q-Ausgang ist hoch, so dass der Eingangsoptokoppler gesperrt ist. Auf die gleiche Weise ist es möglich, die Situation nur einer Unterspannung und die Situation einer Unterspannung und eines Überstroms zu analysieren.
3.2 Design der Ansteuerschaltung
VIN +, FAULT und RESET auf der linken Seite des HCPL-316J sind jeweils mit dem Mikrocomputer verbunden. R7, R8, R9, D5, D6 und C12 bieten einen Eingangsschutz, um zu verhindern, dass zu hohe Eingangsspannungen den IGBT beschädigen. Die Schutzschaltung erzeugt jedoch eine Verzögerung von ca. 1 μs, die für die Verwendung bei einer Schaltfrequenz von mehr als 100 kHz nicht geeignet ist. Q3 ist die wichtigste Verriegelungsfunktion. Wenn beide PWM-Signale (derselbe Brückenzweig) hochpegelig sind, wird Q3 eingeschaltet, wodurch der Eingangspegel niedrig wird, so dass der Ausgang ebenfalls niedrig ist. Die Verriegelungssignale Interlock und Interlock2 in Fig. 3 sind mit einer anderen 316J-Verriegelung2 bzw. einer anderen Verriegelung1 verbunden. R1 und C2 spielen eine Rolle bei der Verstärkung und Filterung des Fehlersignals. Wenn ein Störsignal vorliegt, kann der Mikrocomputer die Informationen korrekt akzeptieren.
Am Ausgang stehen R5 und C7 in Beziehung zur Geschwindigkeit, mit der der IGBT eingeschaltet wird, und zum Schaltverlust. Durch Erhöhen von C7 kann dic / dt signifikant verringert werden. Berechnen Sie zuerst den Gatewiderstand: wobei ION der Gatestrom ist, der beim Einschalten in den IGBT eingespeist wird. Damit sich der IGBT schnell einschaltet, beträgt der IONMAX-Wert 20A. Niedriger Ausgangspegel VOL = 2 V.
C3 ist ein sehr wichtiger Parameter, der wichtigste ist die Ladeverzögerung. Wenn das System hochfährt und der Chip zu arbeiten beginnt, wird das Kurzschlussfehlersignal fälschlicherweise ausgegeben und der Ausgang ausgegeben, da die Spannung am Kollektor-C-Anschluss des IGBT immer noch viel größer als 7 V ist wird direkt ausgeschaltet. Wenn der Chip normal arbeitet und die Kollektorspannung sofort ansteigt, kehrt er sofort zum Normalzustand zurück. Wenn kein C3 vorhanden ist, wird ein Fehlersignal ausgegeben, um den IGBT versehentlich auszuschalten. Wenn jedoch der Wert von C3 zu groß ist, ist die Systemreaktion langsam, und im Falle einer Sättigung kann der IGBT innerhalb der Verzögerungszeit durchgebrannt sein, und es wird keine korrekte Schutzwirkung erzielt. Der Wert von C3 ist 100pF und die Verzögerung ist die Zeit
In der Kollektorerfassungsschaltung sind zwei Dioden in Reihe geschaltet, was die gesamte Sperrspannungsfestigkeit verbessern kann, wodurch der Treiberspannungspegel erhöht wird, aber die Sperrerholungszeit der Diode ist klein und jeder Sperrspannungspegel beträgt 1000 V. Im Allgemeinen wird BYV261E ausgewählt und die Reverse Recovery-Zeit beträgt 75 ns. Die Rolle von R4 und C5 besteht darin, die Soft-Shutdown-Eigenschaften des HCLP-316J nach einem Überstromsignal beizubehalten. Das Prinzip ist, dass C5 durch die Entladung des internen MOSFET eine sanfte Abschaltung erreicht. In 3 durchläuft die Ausgangsspannung VOUT zwei schnelle Trioden-Gegentaktausgänge, die den Strom auf bis zu 20 A treiben können und schnell 1700 V, 200-300 A IGBTs treiben können.
3.3 Design der Antriebsstromversorgung
In der Laufwerkskonstruktion ist eine stabile Stromversorgung eine Garantie dafür, dass der IGBT ordnungsgemäß funktioniert. Das Netzteil verfügt über eine Vorwärtskonvertierung, eine starke Entstörungsfähigkeit, keine Filterinduktivität auf der Sekundärseite und eine niedrige Eingangsimpedanz, sodass die Ausgangsspannung des Netzteils unter Bedingungen hoher Last immer noch stabil ist.
Wenn s eingeschaltet ist, wird an die Primärseite des Transformators und die an S angeschlossene Wicklung eine Spannung von +12 V (für eine relativ stabile Stromversorgung mit hoher Präzision) angelegt, und die Sekundärseite wird durch Energieeinkopplung gleichgerichtet. Wenn S ausgeschaltet ist, wird die Energie des Kerns über die Primärdiode und die angeschlossene Wicklung zur Stromversorgung zurückgespeist, um ein Zurücksetzen des Transformatorkerns zu erreichen. Der 555-Timer ist an einen Multivibrator angeschlossen. Das Potential des Fußes 2 und des Fußes 6 wird durch Laden und Entladen von C1 zwischen 4 und 8 V geändert, so dass der Fuß 3 ein Spannungsrechtecksignal ausgibt und das Rechtecksignal zum Steuern des Öffnens des S verwendet wird. Und heruntergefahren. +12 V lädt C1 über R1 und D2 auf, seine Ladezeit beträgt t1≈R1C2ln2; Die Entladezeit t2 = R2C1ln2 gibt einen hohen Pegel beim Laden und einen niedrigen Pegel beim Entladen aus. Daher ist das Tastverhältnis = t1 / (t1 + t2).
Der Transformator ist gemäß den folgenden Parametern ausgelegt: Die Originalseite ist an +12 V angeschlossen, die Frequenz beträgt 60 kHz, und die magnetische Arbeitsinduktionsintensität Bw beträgt O. 15 T, Sekundärseite +15 V Ausgang 2A, -5 V Ausgang 1 A, Wirkungsgrad n = 80%, der Fensterfüllfaktor Km ist O. 5. Der Kernfüllfaktor Kc ist 1 und die Spulendrahtstromdichte d ist 3 A / mm². Ausgangsleistung
PT = (15 + 0,6) × 2 × 2 + (5 + 0,6) × 1 × 2 = 64 W.
Da die Ausgangsspannung des Antriebsnetzteils nach dem Laden abnimmt, sollten Sie die Frequenz und das Tastverhältnis erhöhen, um die Ausgangsspannung in praktischen Anwendungen zu stabilisieren.
4. Fazit
In diesem Artikel wird eine Ansteuerschaltung entwickelt, die einen IGBT mit 1400 V, 200 ~ 300 A ansteuern kann. Die Verriegelung der beiden IGBTs (gleicher Brückenzweig) erfolgt hardwaremäßig, und es wird eine Antriebsstromquelle entwickelt, die die beiden IGBTs direkt mit Strom versorgen kann.
Der HCPL-316J kann in zwei Teile unterteilt werden: Eingangs-IC (links) und Ausgangs-IC (rechts). Der Ein- und Ausgang kann die Anforderungen von Hochspannungs- und Hochleistungs-IGBT-Laufwerken voll erfüllen.
Die Funktion jedes Pins ist wie folgt:
Pin 1 (VIN +) Vorwärtssignaleingang;
Pin 2 (VIN-) Rückwärtssignaleingang;
Pin 3 (VCG1) ist mit der Eingangsstromversorgung verbunden;
Die Masse des Eingangs von Pin 4 (GND);
Fuß 5 (RESERT) Chip Reset Eingang;
Fuß 6 (FEHLER) Fehlerausgang Wenn ein Fehler auftritt (Unterspannung der Ausgangsspannung oder IGBT-Kurzschluss), wird das Fehlersignal über den Optokoppler ausgegeben.
Pin 7 (VLED1 +) Optokoppler-Teststift, Aufhängung;
Pin 8 (VLED1-) ist geerdet;
Pin 9, Fuß 10 (VEE) liefert eine Sperrvorspannung an den IGBT;
Pin 11 (VOUT) gibt ein Ansteuersignal aus, um den IGBT anzusteuern.
Fuß 12 (VC) dreistufige Darlington-Röhrenkollektor-Stromversorgung;
Pin 13 (VCC2) steuert die Spannungsquelle;
Pin 14 (DESAT) IGBT-Kurzschlussstromerkennung;
Pin 15 (VLED2 +) Optokoppler-Teststift, Aufhängung;
Fuß 16 (VE) gibt eine Bezugsmasse aus.
Wenn VIN + normalerweise eingegeben wird, hat Pin 14 kein Überstromsignal, und VCC2-VE = 12 V bedeutet, dass die Ausgangsvorwärtsansteuerspannung normal ist, das Ansteuersignal einen hohen Pegel ausgibt und das Fehlersignal und das Unterspannungssignal einen niedrigen Pegel ausgeben. Zunächst werden die drei Signale in JP3 eingegeben, D ist niedrig, B ist niedrig und 50 × DMOS ist ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt sind die vier Zustände des Eingangs von JP1 niedrig, hoch, niedrig und niedrig von oben nach unten, und der hohe Punkt von Punkt A steuert die anzuschaltende dreistufige Darlington-Röhre und der IGBT ebenfalls eingeschaltet.