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IGBT终于不炸了!详解逆变H桥IGBT单管驱动+保护

2019-07-05  懒人海马
目录:
一、简述
二、驱动电路
三、电流采集电流
四、保护机制
五、IGBT介绍与选型
1、关于单元
2、IGBT单管、MOS管、可控硅
3、IGBT选型
1)IGBT单管   2)IGBT模块(海飞乐_IGBT/MOSFET隔离驱动模块生产商)
4、IGBT单管的检测
1)任何指针式万用表皆可用于检测IGBT   2)判断极性   3)判断好坏
5、IGBT单管的命名与参数

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一、简述
来源“EDN电子技术设计”。大家都知道,IGBT单管相当的脆弱,同样电流容量的IGBT单管,比同样电流容量的MOSFET脆弱多了,也就是说,在逆变H桥里头,MOSFET上去没有问题,但是IGBT上去,可能开机带载就炸了。这一点很多人估计都深有体会。
当时我看到做鱼机的哥们用FGH25N120AND这个,反映很容易就烧了,当时不以为然。
只到我在工作中遇到,一定要使用IGBT的时候,我才发现我错了,当初我非常天真的认为,一个IRFP460,20A/500V的MOSFET,我用个SGH40N60UFD40A/600V的IGBT上去怎么样也不会炸的吧,实际情况却是,带载之后,突然加负载和撤销负载,几次下来就炸了,我以为是电路没有焊接好,然后同样的换上去,照样炸掉,这样白白浪费了好多IGBT。
后来发现一些规律,就是采用峰值电流保护的措施就能让IGBT不会炸。

我们将这个问题分出几个部分来解决:
二、驱动电路
三、电流采集电流
四、保护机制

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二、驱动电路
这次采用的IGBT为IXYS的,IXGH48N60B3D1。驱动电路如下:
IGBT终于不炸了!详解逆变H桥IGBT单管驱动+保护

这是一个非常典型的应用电路,完全可以用于IGBT或者MOSFET,但是也有些不一样的地方。
1、有负压产生电路
2、隔离驱动
3、单独电源供电

首先我们来总体看看,这个电路没有保护,用在逆变上100%炸,但是我们可以将这个电路的实质摸清楚。
先讲讲重点:
1:驱动电阻R2,这个在驱动里头非常重要,图上还有D1配合关闭的时候,让IGBT的CGE快速的放电,实际上看需要,这个D1也可以不要,也可以在D1回路里头串联一个电阻做0FF关闭时候的栅极电阻。

下面发几个波形照片,不同的栅极电阻,和高压HV+400V共同产生作用的时候,上下2个IGBT栅极的实际情况。
IGBT终于不炸了!详解逆变H桥IGBT单管驱动+保护
上面的图,是在取消负压的时候,上下2管之间的栅极波形,栅极电阻都是在10R情况下。
上面的图是在不加DC400V情况下测量2管G极波形,下图是在DC400V情况下,2管的栅极波形。

为何第二个图会有一个尖峰呢。这个要从IGBT的内部情况说起,简单来说,IGBT的GE上有一个寄生的电容,它和另外的CGC一个寄生电容共同组成一个水池子,那就是QG,其实这个和MOSFET也很像的。
那么在来看看为何400V加上去,就会在下管上的G级上产生尖峰。借花献佛,抓个图片来说明:
IGBT终于不炸了!详解逆变H桥IGBT单管驱动+保护

如上图所示,当上管导通的时候,此时是截止的,由于上管导通的时候,这个时候要引入DV/DT的概念,这个比较抽象,先不管它,简单通俗的说就是上管导通的时候,上管等效为直通了,+DC400V电压立马加入到下管的C级上,这么高的电压立刻从IGBT的寄生电容上通过产生一个感应电流,这个感应电流上图有公式计算,这个电流在RG电阻和驱动内阻的共同作用下,在下管的栅极上构成一个尖峰电压,如上面那个示波器的截图所示。到目前为止,没有引入米勒电容的概念,理解了这些,然后对着规格书一看,米勒电容是什么,对电路有何影响,就容易理解多了。
这个尖峰有许多坏处,从上面示波器截图可以看出来,在尖峰时刻,下管实际上已经到7V电压了,也就是说,在尖峰的这个时间段内,上下2个管子是共同导通的。下管的导通时间短,但是由于有TON的时间关系在里面,所以这个电流不会太大。管子不会炸,但是会发热,随着传输的功率越大,这个情况会更加严重,大大影响效率。
本来是要发出加入负压之后波形照片,负压可以使这个尖峰在安全的电平范围内。示波器需要U盘导出位图,这样清晰,今天发懒没有摸仪器了,后面再去补上去。

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三、电流采集电路
说到这一步,就是离保护不远了,我的经验就是电流采集速度要很快,这样才能在过流或短路的时候迅速告诉后面的电路->,这里出问题了。让IGBT迅速安全的关闭。
这个电路该如何实现呢?对于逆变电路,我们可以直接用电阻采样,也可以用VCE管压降探测方式。管压降探测这个论坛里有多次讨论出现过,但是都没有一个真正能用、真正实际应用过、测试过的电路(专用驱动芯片例外),这是因为每种实际应用的参数大不一样,比如IGBT参数不同,需要调整的参数很多,需要一定的经验做调整。

我们可以从最简单的方式入手,采用电阻检测这个电流,短路来了,可以在电阻上产生压降,用比较器和这个电压进行比较,得出最终是否有过流或者短路信号。
用这个图就可以了,因为原理非常简单,就一个比较的作用,大家实现起来会非常容易,没有多少参数可以调整的。
IGBT终于不炸了!详解逆变H桥IGBT单管驱动+保护
上图是采样H桥对地的电流,举个例子:如果IGBT是40A,我们可以采取2倍左右的峰值电流,也就是80A,对应上图,RS为0.01R,如果流入超过80A脉冲电流那么在该电阻上产生0.01R*80A=0.8V电压,此电压经过R11、C11消隐之后到比较器的+端,与来自-端的基准电压相比较,图上的-端参考电阻设置不对,实际中请另外计算,本例可以分别采用5.1K和1K电阻分压变成0.81V左右到-端,此时如果采样电阻RS上的电压超过0.8V以上,比较器立即翻转,输出SD 5V电平到外部的电路中。这个变化的电平信号就是我们后面接下来需要使用的是否短路过流的信号了。

有了这个信号,那我们如何关闭IGBT呢?我们可以看情形是否采取软关闭,也可以采取直接硬关闭。
采取软关闭,可以有效防止在关闭的瞬间造成电路的电压升高的情况,关闭特性非常软,很温柔,非常适合于高压大功率的驱动电路。

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四、保护机制
如果采取硬关闭,可能会造成高压DC上的电压过冲,比如第一图中的DC400V高压可能变成瞬间变成DC600V也说不定,当时我看一些资料上的记载的时候,非常难以理解:关就关了嘛,高压难道还自己升上去了?实际情况却是真实存在的。

如果大家难以理解,可以做个试验,家里有水塔的最清楚,水塔在很高的楼上,水龙头在一楼,打开水龙头,水留下来了,然后用极快的速度关闭这个水龙头,你会听到水管子有响声,连水管子都会要震动一下(不知道说的对不对,请高手指正,在此引入水龙头这个例子还得感谢我读书的时候,老师看我们太笨了,讲三极管特性原理的时候打的比喻,在此我要感谢他),IGBT在桥电路的原理同样如此。在IGBT严重短路的时候,如果立马硬关闭IGBT,轻则只是会在母线上造成过冲的感应电压(至于为何会过冲可以查相关资料,很多资料都说到了),管子能抗过去,比如你在直流高压母线上并联非常好的吸收电容,有多重吸收电路等等……
重则,管子关闭的时候会失效,关了也没有用,IGBT还是会被过冲电压击穿短路,而且这个短路是没有办法恢复的,会立即损坏非常多的电路。有时候没有过压也能引起这种现象,这个失效的原理具体模型本人未知,但是可以想象的是可能是由于管子相关的其他寄生电容和米勒电容共同引起失效的,或者是由于在过流、短路信号发生时候,IGBT已经发生了擎柱效应就算去关,关也关不死。

还有第三种方式,叫做:二级关闭,这种方式简单来说,就是检测到了短路、过流信号,PWM此时这个脉冲并没有打算软关闭或直接关闭,而是立即将此时刻对应的VGE驱动脉冲电压降低到8V左右以此来判断是否还是在过流或短路区域,如果还是,继续沿用这个8V的驱动,一直到设定的时间,比如多个us还是这样就会立即关了,如果是,PWM将会恢复正常。这种方式一般可能见到不多,所以我们不做深入研究。

理解了这些,我们可以看情况来具体采用那些关闭的方式,我认为在2KW级别中,DC380V内,直接采取硬关闭已经可以满足要求了,只需要在H桥上并联吸收特性良好的一个电容,就可以用600V的IGBT了。
关键的一点就是检测时候要快速,检测之后要关闭快速,只有做到了快,IGBT就不会烧。

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五、IGBT介绍与选型
1、关于单元
1个IGBT管子和1个反并联二极管合起来称为“1单元”。
1单元就是单管,2单元就是单个桥臂,4单元就是单相桥(H桥),6单元就是三相桥,7单元一般是6单元+制动单元,8单元是6单元+制动单元+预充电单元。
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2、IGBT单管、MOS管、可控硅
IGBT在结构上是NPN行MOSFET增加一个P结,即NPNP结构,在原理上是MOS(MOS就是MOSFET的简称)推动的P型BJT。
多的这个P层因内有载流子,有电导调制作用,可以使IGBT在跟高电压和电流下,有很低的压降,因此IGBT可以做到很高电压(目前最大6500V),但由于载流子存在,IGBT关断时电流会拖尾,关断速度会减低。
IGBT和MOS是全控电压型驱动器件,即通过控制栅极电压来开通或关断器件。
可控硅是半控电流型驱动器件,即给栅极通一定的电流,可以使可控硅导通,但是一旦导通,就不受栅极控制,将栅极的电压电流信号去除,仍然保持导通,只有流过可控硅的电流减小,或可控硅AK两端加反压,才能关断。
IGBT和MOS频率可以做到几十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以内。
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3、IGBT选型
1)IGBT单管
仙童SGL160N60UFD,封装TO-3PL或TO-264,管内自带二极管。
IGBT终于不炸了!详解逆变H桥IGBT单管驱动+保护

IGBT终于不炸了!详解逆变H桥IGBT单管驱动+保护
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4、IGBT单管的检测
1)任何指针式万用表皆可用于检测IGBT
注意判断IGBT好坏时,一定要将万用表拨在R×10KΩ挡,因R×10KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT导通,而无法判断IGBT的好坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管(P-MOSFET)的好坏。
2)判断极性
首先将万用表拨在R×10KΩ挡,用万用表测量时,若某一极与其它两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大,则判断此极为栅极(G)。其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷大,调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中,则判断红表笔接的为集电极(C);黑表笔接的为发射极(E)。
3)判断好坏
将万用表拨在R×10KΩ挡,用黑表笔接IGBT的集电极(C),红表笔接IGBT的发射极(E),此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C),这时IGBT被触发导通,万用表的指针摆向阻值较小的方向,并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E),这时IGBT被阻断,万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。
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5、IGBT单管的命名与参数
用于电磁炉的主要由FAIRCHILD(美国仙童)、INFINEON(德国英飞凌)、TOSHIBA(日本东芝)等几家国外公司生产,各公司对IGBT管的型号命名不尽相同,但大致有以下规律: 
1)管子型号前半部分数字表示该管的最大工作电流值,如:G40××××、20N××××就分别表示其最大工作电流为40A、20A
2)管子型号后半部分数字则表示该管的最高耐压值,如:G×××150××、××N120x××就分别表示最高耐压值为1500V、1200V
3)管子型号后缀字母含“D”则表示该管内含阻尼二极管。但未标“D”并不一定无阻尼二极管

         G40N150D电气参数

反向击穿电压BVceo(V)

1500

集电极最大连续电流IC(A)

40

工作电压(V)

1000

输出功率(w)

>2000

工作频率(kHz)

<100

栅板门限电压UGe。(V)

5.5

集、射极间饱和电压Uce(v)

3.5

集、射极间是否有阻尼保护二极管

内含阻尼保护二极管

另外如G60N100、G160N60等。

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