基于IR22141的IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

【摘要】IGBT的驅(qū)動(dòng)電路是應(yīng)用IGBT開關(guān)管的關(guān)鍵技術(shù)，一個(gè)性能好的驅(qū)動(dòng)電路不僅能夠有效地驅(qū)動(dòng)IGBT，而且能夠可靠地保護(hù)IGBT。本文介紹了一種基于IR22141芯片的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)以及運(yùn)用。

【關(guān)鍵詞】IGBT；驅(qū)動(dòng)電路，過流保護(hù)電路；IR22141芯片

前言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種由雙晶體管組成的器件，既具有柵極電壓控制快速開關(guān)特性，又具有雙極晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點(diǎn)。但是IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、承受短路電流能力等參數(shù)，決定了IGBT的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性。因此在使用IGBT時(shí)，最重要的工作就是設(shè)計(jì)好驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。

本文將從IR22141芯片簡介、門極電路設(shè)計(jì)以及有源鉗位設(shè)計(jì)三個(gè)方面來敘述。

1.IR22141芯片簡介

IR22141是適合于單向器半橋柵極驅(qū)動(dòng)，高柵極驅(qū)動(dòng)能力（2A源，3A接收器）和低靜態(tài)電流使自舉電源在中等功率系統(tǒng)的功率開關(guān)應(yīng)用技術(shù)。該IR22141具有通過功率晶體管飽和檢測手段全面的短路保護(hù)。該IR22141通過關(guān)閉順利通過專用的軟關(guān)斷引腳的去飽和晶體管，因此防止過電壓年齡和減少電磁排放管理所有半橋故障。在多相體系IR22141驅(qū)動(dòng)程序使用一個(gè)專用的本地網(wǎng)絡(luò)（SY_FLT和故障/SD信號）妥善管理相-相短路溝通。系統(tǒng)控制器可以強(qiáng)制關(guān)閉或通過3.3 V兼容CMOS的I/O引腳（故障/SD）讀取設(shè)備故障狀態(tài)。為了提高從直流母線噪聲信號免疫力，控制和電源地使用專用引腳實(shí)現(xiàn)低側(cè)發(fā)射極電流檢測以及。欠壓條件下浮動(dòng)，低壓電路獨(dú)立管理。圖1為利用IR22141芯片驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的典型電路連接圖。

2.門極電路設(shè)計(jì)

IGBT門極（G極）驅(qū)動(dòng)電阻器、電容器等應(yīng)該盡量靠近模塊引線端子放置。IGBT模塊關(guān)斷過壓較小，G極驅(qū)動(dòng)電阻無需遠(yuǎn)大于規(guī)格書給定值。如果IGBT開通、關(guān)斷使用不同阻值的電阻，可以用二極管（最好是肖特基二極管）隔開（如圖2所示）。該二極管還有助于加速負(fù)載短路時(shí)VCE 的退飽和，從而安全地關(guān)斷IGBT。由于IGBT模塊一般采用螺栓式引線端子，為減小電路的寄生電容和電感，驅(qū)動(dòng)電路板常被直接安裝在模塊上，所以溫度因素不可忽略，我們就要盡可能選用溫漂系數(shù)小的器件，比如G極驅(qū)動(dòng)電容最好選用Ⅰ類介質(zhì)獨(dú)石電容器，這樣可以保證工作時(shí)功率器件開關(guān)性能的穩(wěn)定。

3.有源箝位設(shè)計(jì)

IGBT工作期間難免遭受瞬時(shí)C、E之間的過電壓，特別是在器件發(fā)生短路繼而關(guān)斷的時(shí)候，因此需要一個(gè)吸收電路，比較常見的做法是在母線端加吸收電容或使用TVS作有源箝位。這里主要介紹利用TVS進(jìn)行有源箝位，如圖3中圈出部分。TVS是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種產(chǎn)品，在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過。TVS能承受的瞬時(shí)脈沖功率可達(dá)上千瓦，其箝位響應(yīng)時(shí)間為ps級。

4.結(jié)語

本文從對IR22141芯片的簡介入手，大致了解了IR22141芯片的功能和特點(diǎn)。又分別介紹了門極電路設(shè)計(jì)和有源箝位設(shè)計(jì)的工作原理。設(shè)計(jì)的基于IR22141的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)大功率的IGBT驅(qū)動(dòng)，同時(shí)從整體上來看擁有保護(hù)電路的能力，使得IGBT的應(yīng)用更加完善與安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種方案的合理性與有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭姿清.3.3kV IGBT模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)分析（英飛凌科技中國有限公司，上海：2012，03.

[2]史平君——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，1996（3）：15-18.

[3]尹海.IGBT驅(qū)動(dòng)電路性能分析[J].電力電子技術(shù)，1998（2）：21-33.

[4]陳建業(yè).電子電力電路的計(jì)算機(jī)仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]王秀利，潘燕，馮江華，等.網(wǎng)測變流器系統(tǒng)建模及半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2005（5）：8-11.

作者簡介：

方昱琨（1992—），男，山東煙臺人，大學(xué)本科，研究方向：電子信息通信。

曾衛(wèi)華（1978—），男，江西人，博士研究生，研究方向：地球物理儀器。

李佳澳（1992—），女，遼寧沈陽人，大學(xué)本科，研究方向：嵌入式編程。

余明典（1993—），女，四川巴中人，大學(xué)本科，研究方向：單片機(jī)開發(fā)研究。

李雙村，男，陜西榆林人，大學(xué)本科，研究方向：光電子線路。