全桥逆变电路IGBT模块的实用驱动电路设计

共同成长888 2017-05-10

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全桥逆变电路IGBT模块的实用驱动电路设计

作者：海飞乐技术时间：2017-04-21 16:31

  1. 前言
  全侨式逆变电路应用广泛，国内外许多厂家的焊机都采用此主电路结构。全桥式电路的优点是输出功率较大，要求功率开关管耐压较低，便于选管。在硬开关侨式电路中，IGBT在高压下导通，在大电流下关断，处于强迫开关过程，功率器件IGBT能否正常可靠使用起着至关重要的作用。
  驱动电路的作用就是将控制电路输出的PWM信号进行功率放大，满足驱动IGBT的要求。其性能直接关系到IGBT的开关速度和功耗、整机效率和可靠性。随着开关工作频率的提高，驱动电路的优化设计更为重要。

2. 硬开关全桥式电路工作过程分析
  全桥式逆变主电路由功率开关管IGBT和中频变压器等主要元器件组成，如图1所示快速恢复二极管VD1~VD4与lGBT1～IGBT4反向并联、承受负载产生的反向电流以保护IGBT。IGBT1和IGBT4为一组，IGBT2和IGBT3为一组，每组IGBT同时导通与关断，当激励脉冲信号轮流驱动IGBT1、IGBT4和IGBT2、IGBT3时，逆变主电路把直流高压转换为20 kHz的交流电压送到中频变压器，经降压整流滤波输出。

图1 全桥式逆变电路

  全桥式逆变器的一大缺陷就是存在中频变压器偏磁问题，正常工作情况下，功率开关器件在工作前半周与后半周导通脉宽相等，饱和压降相等，前后半周交替通断，变压器磁心中没有剩磁。但是，如果IGBT驱动电路输出脉宽不对称或其他原因，就会产生正负半周不平衡问题，此时，变压器内的磁心会在某半周积累剩磁，出现“单向偏磁”现象，经过几个脉冲，就可以使变压器单向磁通达到饱和，变压器失去作用，等效成短路状态。这对于IGBT来说，极其危险，可能引发爆炸。
  桥式电路的另一缺点是容易产生直通现象。直通现象是指同桥臂的IGBT在前后半周导通区间出现重叠，主电路板路，巨大的加路电流瞬时通过IGBT。
  针对上述两点不足，从驱动的角度出发、设计的驱动电路必须满足四路驱动的波形完全对称，严格限制最大工作脉宽，保证死区时间足够，

3. IGBT的开关过程动态分析
  IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，其驱动与MOSFET驱动相似，是电压控制器件，驱动功率小。但IGBT的栅极与发射极之间、栅极与集电极之间存在着结间电容，在它的射极回路中存在着漏电感，由于这些分布参数的影响，使得IGBT的驱动波形与理想驱动波形产生较大的变化，并产生了不利于IGBT开通和关断的因素。
  IGBT开关等效电路如图2a所示。E是驱动信号源，R是驱动电路内阴，Rg为栅极串联电阻Cge、Cgc分别为栅极与发射极、集电极之间的寄生电容，Le是射极回路漏电感，用电感L1与二极管VD并联作为负载。

图2 IGBT开通波形

  IGBT开通波形见图2b。T0时刻，IGBT处于关断状态，栅极驱动电压开始上升，Uge的上升斜率上要由Rg和Cgc决定，上升较快。到t1时刻。Uge达到栅极门槛值(约4~5V)，集电极电流开始上升。导致Uge波形偏离原有轨迹的因素主要有两个：一是发射极电路中分布电感Le的负反馈作用；二是栅极-集电极电容Cgc的密勒效应。t2时刻，Ic达到最大值，集射极电压Uce下降，同时Cgc放电，驱动电路电流增大，使得Rg和R上分压加大，也造成Uge下降。直到t3时刻，Uce降为0，Ic达到稳态值，Uge才以较快的上升率达到最大值。
  IGBT关断波形如图2c所示。T0时刻栅极驱动电压开始下降，到t1时刻达到刚能维持Ic的水下，lGBT进入线性工作区，Uce开始上升，对Cgc、Cge充电，由于对两个寄生电容的耦合充电作用，使得在t1~t2期间，Uge基本不变。在t3时刻，Uce上升结束，Uge和Ic以栅极-发射极间固有阻抗下降为0。
  通过以上分析可知，对IGBT开通关断过程影响较大的因素是驱动电路的阻杭、Le和Cge。因此在设计驱动电路的时候，应选择Cgc较小的IGBT，并通过合理布线、选择合理电阻等方法改善开通与关断的过程。

4. IGBT的实用驱动电路设计和实验结果
  对于硬开关触发方式的全桥逆变器，四路驱动电路完全相同，但是各路之间在电路上必须相互隔离，以防干扰或误触发四路驱动信号根据触发相位分为两组，相位相反。图3为一路栅极驱动电路，整流桥B1、B2与电解电容C1、C2组成整流滤波电路，为驱动电路提供+25V和-15V直流驱动电压。光耦6N137的作用是实现控制电路与主电路之间的隔离，传递PWM信号。电阻R1与稳压管VS1组成PWM取样信号，电阻R2限制光耦输入电流。电阻R3、R4与稳压管VS3、VS4分别组成5.5V光耦电平限幅电路，分别为光耦和MOSFET管Q3提供驱动电平。Q3在光耦控制下，工作在开关状态。MOSFET管Q1、Q2组成推挽放大电路，将放大后的输出信号输入到IGBT门极，提供门极的驱动信号。当输入控制信号，光耦U导通，Q3截止，Q2导通输出+15V驱动电压。当控制信号为零时，光耦U截止，Q3、Q1导通，输出-15V电压，在IGBT关断时时给门极提供负的偏置，提高lGBT的抗干扰能力。稳压管VS3～VS6分别对Q2、Q1输入驱动电压限幅在-10V和+15V，防止Q1、Q2进入深度饱和，影响MOS管的响应速度。电阻R6、R7与电容C0为Q1、Q2组成偏置网络。其中的电容C0是为了在开通时，加速Q2管的漏极电流上升速度，为栅极提供过冲电流，加速栅极导通。

图3 栅极驱动电路原理

IGBT栅极耐压一般在±20V左右，因此在驱动电路的输出端给栅极加电压保护，并联电阻Rge以及反向串联限幅稳压管，如图4所示。

图4 栅极保护电路

  栅极串联电阻Rg对IGBT开通过程影响较大。Rg小有利于加快关断速度，减小关断损耗，但过小会造成di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰。根据本设计的具体要求，Rg选取4.7Ω。
  栅极连线的寄生电感和栅极与射极间的寄生电容耦合，会产生振荡电压，所以栅极引线应采用双绞线传送驱动信号，并尽可能短，最好不超过0.5 m，以减小连线电感。
  四路驱动电路光耦与PWM两路输出信号的接线如图5所示。

图5 四路驱动电路光耦与PWM的两路输出信号的接线

实验波形如图6所示。图6a是栅极驱动四路输出波形。同时测四路驱动波形时，要在未接通主电路条件下检测。因为使用多踪示波器检测时，只允许一只探头的接地端接参考电位，防止发生短路烧坏示波器。只有检测相互间电路隔离的电路信号时，才可以同时使用接地端选择公共参考电位。图6b是IGBT上集-射极电压Uce波形。由于全桥式逆变电路中IGBT相互间的电路信号是非隔离的，不能用普通探头进行多踪示波，该电压波形是用高压隔离探头测得，示波器读数为实际数值的1/50。由波形可知，lGBT工作正常。在桥式逆变电路中影响Uce波形的，除驱动的影响外还有其他多种因素，在此不多做阐述。由实验结果可知，该驱动电路能使主电路安全工作。