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IGBT驅動芯片IXDN404應用及改進(一)
摘要：介紹了IXYS公司大功率IGBT驅動芯片IXDN404的特點及性能，并在此基礎上，根據IGBT驅動的實際要求，設計出了一種具有過流保護及慢關斷功能的簡單有效的驅動電路，給出了實際電路圖和驅動波形。關鍵詞：IGBT；驅動與保護；IXDN404
引言
絕緣柵晶體管IGBT是近年來發展最快而且很有前途的一種復合型器件，并以其綜合性能優勢在開關電源、UPS、逆變器、變頻器、交流伺服系統、DC/DC變換、焊接電源、感應加熱裝置、家用電器等領域得到了廣泛應用。然而，在其使用過程中，發現了不少影響其應用的問題，其中之一就是IGBT的門極驅動與保護。目前國內使用較多的有富士公司生產的EXB系列，三菱公司生產的M579系列，MOTOROLA公司生產的MC33153等驅動電路。這些驅動電路各有特點，均可實現IGBT的驅動與保護，但也有其應用限制，例如：驅動功率低，延遲時間長，保護電路不完善，應用頻率限制等。本文，以IXYS公司生產的IGBT驅動芯片IXDN404為基礎，介紹了其特性和參數，設計了實際驅動與保護電路，經過實驗驗證，可滿足IGBT的實際驅動和過流及短路時實施慢關斷策略的保護要求。1 IXDN404驅動芯片簡介
IXDN404為IXYS公司生產的高速CMOS電平IGBT/MOSFET驅動器，其特性如下：
--高輸出峰值電流可達到4A；
--工作電壓范圍4.5V～25V；
--驅動電容1800pF<15ns；
--低傳輸延遲時間；
--上升與下降時間匹配；
--輸出高阻抗；
--輸入電流低；
--每片含有兩路驅動；
--輸入可為TTL或CMOS電平。
其電路原理圖如圖1所示，主要電氣參數如表1所列。
表1 IXDN404主要電氣參數
符 號 參 數 測試條件 最小值 典型值 最大值 單位
Vih 輸入門限電壓，邏輯1 空 3.5 空 空 V
Vil 輸入門限電壓，邏輯0 空 空 空 0.8 V
Voh 輸出電壓，邏輯1 空 Vcc－0.025 空 空 V
Vol 輸出電壓，邏輯0 空 空 空 0.025 V
Ipeak 峰值輸出電流 Vcc=18V 4 空 空 A
Idc 連續輸出電流 Vce=18V 空 空 1 A
tr 上升時間 C1=1800pF Vcc=18V 11 12 15 ns
tf 下降時間 C1=1800pF Vcc=18V 12 14 17 ns
tond 上升時間延遲 C1=1800pF Vcc=18V 33 34 38 ns
toffd 下降時間延遲 C1=1800pF Vcc=18V 28 30 35 ns
Vcc 供電電壓 空 4.5 18 25 V
Icc 供電電流 Vin=＋Vcc 空 空 10 μA
2 驅動芯片應用與改進
圖2為IXDN404組成的IGBT實用驅動與保護電路，該電路可驅動1200V/100A的IGBT，驅動電路信號延遲時間不超過150ns，所以開關頻率圖2由IXDN404組成的IGBT保護與驅動電路圖1IXDN404電路原理圖可以高達100kHz�？蓱糜贒SP控制的高頻開關電源、逆變器、變頻器等功率電路中。根據IXYS公司的使用手冊，IXDN404僅能提供0～＋Vcc的驅動脈沖。我們在此基礎上，增加5.1V穩壓二極管Z3以實現－5V偏置電壓；由穩壓管電壓為光耦6N137和反相器CD4069供電，節省了一路驅動電源；增加降柵壓及慢關斷保護電路，實現IGBT的保護功能；降柵壓及慢關斷電路是通過控制IXDN404供電電壓Vcc來實現的，明顯不同于其它保護電路的前級降壓控制方式。下面介紹其工作原理。
2.1 正常開通過程
當控制信號為高電平時，快速光耦6N137導通，經過一級反相，輸入IXDN404，輸出＋15V脈沖，IGBT正常導通。同時，由于光耦輸出為反相，V4截止，V5導通，C1由電源充電，C1電壓不會超過9V，這是因為IGBT正常導通時Vces不高于3V，二極管D2導通，A點電位箝位在8V，加上電阻R10的壓降，C點電位接近9V。Z1截止，V2截止，V1導通，B點電位接近20V；Z2截止，V3截止，D點電位接近B點電位。C1充電時間常數τ1=R9×C1=2.42μs，C1充電到9V的時間為
t1=τ1ln[20/(20-19)]=1.45μs （1）
2.2 正常關斷過程
當控制信號為低電平，光耦輸出高電平，反相輸出低電平，由于Z3箝位IXDN404輸出脈沖為－5V，IGBT正常關斷。這時，V4導通，V5截止，C點電位保持在9V；Z1截止，V2截止，V1導通，B點電位接近20V；Z2截止，V3截止，D點電位接近B點電位。圖2 2.3 保護過程
設IGBT已經導通，各點電位如2.1所說。當電路過流時，IGBT因承受大電流而退出電阻區，Vces上升，二極管D2截止，A點對電容C1的箝位作用消失；C點電位從9V上升，同時Z1反向擊穿，V2導通，V1截止，B點電位由R1和Rc以及IXDN404芯片內阻分壓決定，箝位在15V，柵壓降為10V。柵壓的下降可有效地抑制故障電流并增加短路允許時間。降柵壓運行時間為
t2=τ1ln(20-0)/(20-13)=1.09μs （2）
如果在這段時間內，電路恢復正常，D2導通，A點繼續箝位，V2截止，V1導通，電路恢復2.1所說狀態。如果D2仍處于斷態，也就是故障電流仍然存在，C點電壓繼續上升，經過t2時間上升到13V，Z2反向擊穿，V3導通，電容C2通過電阻R12放電，D點與B點電位同時下降，IGBT柵壓逐漸下降，實現慢關斷過程，避免了正常關斷大電流時所引起的過電壓。慢關斷過程時間為t3，由C2和R12決定。由IXDN404工作電壓范圍為4.5～25V，τ2=R12×C2=4.84μs，可知
t3=τ2ln(15/4.5)=5.83μs （3）
另外，在IGBT開通過程中，如果二極管D2不能及時導通，將造成保護電路的誤動作，因此D2要選擇快速二極管，也可通過適當增加Z1穩壓值和增大電阻R9以增大C1充電時間常數延長保護電路動作時間。但這與保護動作的快速性相矛盾，具體應用時要根據實際電路要求和功率器件的特性作出折中的選擇。 2.4 幾點說明
1）為使驅動功率達到最大，本電路將兩路輸入輸出并聯使用，最大驅動峰值電流可達8A，這個峰值電流是由電容Cc瞬間放電產生；
2）光耦6N137輸出為輸入反相，IXDN404為同相輸入輸出，為保證控制邏輯正確，中間需加一級反相器，也可采用帶反相的IXDI404；
3）圖2中可在E點處加入一個光耦，其輸出可作為短路保護信號送給控制邏輯，以封鎖本路及其它各路的PWM信號，確保主電路安全；
4）IXDN404驅動電路對脈沖信號非常敏感，實際操作時要保證連線盡量短，輸出要用雙絞線接IGBT，電路所用元器件也可采用貼片式，既縮小驅動電路體積，也提高了工作穩定度。
圖3為實測IGBT的門極驅動信號，其中通道1為輸入控制信號，通道2為輸出驅動信號。所用IGBT為仙童公司HGTG18N120BND。從圖中可以看出驅動電路延遲時間僅為100ns。其中圖3（d）為模擬IGBT過流時的保護波形，首先降柵壓運行，然后慢關斷，最后由于低電壓供電，IXDN404輸出驅動電壓封鎖在－2V左右。3 結語
由IXDN404組成的IGBT驅動與保護電路可滿足IGBT驅動要求，其特點可歸納如下：
--驅動電源＋20V單路供電，驅動柵壓＋15V～－5V；
--最大驅動峰值電流可達8A，滿足大功率IGBT驅動要求；
--電路信號延遲時間短，工作頻率可以達到100kHz或者更高，可適應大多數電路需要；
--可實現過流保護及降柵壓慢關斷功能；
--電路成本相對較低。
綜上所述，這種驅動保護電路是一種低成本、高性能的IGBT驅動電路。
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