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当IGBT驱动芯片IXDN404应用及改进

发布时间:2021-09-11 08:51:08 阅读: 来源:煮蛋器厂家

IGBT驱动芯片IXDN404应用及改进

IGBT驱动芯片IXDN404应用及改进

介绍了IXYS公司大功率IGBT驱动芯片IXDN404的特点及性能,并在此基础上,根据IGBT驱动的实际要求,设计出了一种具有过还要在真实火灾中进1步考察保温材料的燃烧性能流保护及慢关断功能的简单有效的驱动电路,给出了实际电路图和驱动波形。

关键词:IGBT;驱动与保护;IXDN404

0 引言

绝缘栅晶体管IGBT是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件,并以其综合性能优势在开关电源、UPS、逆变器、变频器、交流伺服系统、DC/DC变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。然而,在其使用过程中,发现了不少影响其应用的问题,其中之一就是IGBT的门极驱动与保护。目前国内使用较多的有富士公司生产的EXB系列,三菱公司生产的M579系列,MOTOROLA公司生产的MC33153等驱动电路。这些驱动电路各有特点,均可实现IGBT的驱动与保护,但也有其应用限制,例如:驱动功率低,延迟时间长,保护电路不完善,应用频率限制等。本文,以IXYS公司生产的IGBT驱动芯片IXDN404为基础,介绍了其特性和参数,设计了实际驱动与保护电路,经过实验验证,可满足IGBT的实际驱动和过流及短路时实施慢关断策略的保护要求。

1 IXDN404驱动芯片简介

IXDN404为IXYS公司生产的高速CMOS电平IGBT/MOSFET驱动器,其特性如下:

高输出峰值电流可达到4A;

工作电压范围4.5V~25V;

驱动电容1800pF 15ns;

低传输延迟时间;

上升与下降时间匹配;

输出高阻抗;

输入电流低;

每片含有两路驱动;

输入可为TTL或CMOS电平。

其电路原理图如图1所示,主要电气参数如表1所列。

图1 IXDN404电路原理图

表1 IXDN404主要电气参数

2 驱动芯片应用与改进

图2为IXDN404组成的IGBT实用驱动与保护电路,该电路可驱动1200V/100A的IGBT,驱动电路信号延迟时间不超过150ns,所以开关频率图2由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路图1IXDN404电路原理图可以高达100kHz。可应用于DSP控制的高频开关电源、逆变器、变频器等功率电路中。根据IXYS公司的使用手册,IXDN404仅能提供0~+Vcc的驱动脉冲。我们在此基础上,增加5.1V稳压二极管Z3以实现-5V偏置电压;由稳压管电压为光耦6N137和反相器CD4069供电,节省了一路驱动电源;增加降栅压及慢关断保护电路,实第2阶段为2021年至2025年现IGBT的保护功能;降栅压及慢关断电路是通过控制IXDN404供电电压Vcc来实现的,明显不同于其它保护电路的前级降压控制方式。下面介绍其工作原理。

图2 由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路

2.1 正常开通过程

当控制信号为高电平时,快速光耦6N137导通,经过一级反相,输入IXDN404,输出+15V脉冲,IGBT正常导通。同时,由于光耦输出为反相,V4截止,V5导通,C1由电源充电,C1电压不会超过9V,这是因为IGBT正常导通时Vces不高于3V,二极管D2导通,A点电位箝位在8V,加上电阻R10的压降,C点电位接近9V。Z1截止,V2截新材料帮碳纤维“甩掉”传统涂层止,V1导通,B点电位接近20V;Z2截止,V3截止,D点电位接近B点电位。C1充电时间常数 1=R9 C1=2.42 s,C1充电到9V的时间为

t1= 1ln=1.45 s(1)

2.2 正常关断过程

当控制信号为低电平,光耦输出高电平,反相输出低电平,由于Z3箝位IXDN404输出脉冲为-5V,IGBT正常关断。这时,V4导通,V5截止,C点电位保持在9V;Z1截止,V2截止,V1导通,B点电位接近20V;Z2截止,V3截止,D点电位接近B点电位。

2.3 保护过程

设IGBT已经导通,各点电位如2.1所说。当电路过流时,IGBT因承受大电流而退出电阻区,Vces上升,二极管D2截止,A点对电容C1的箝位作用消失;C点电位从9V上升,同时Z1反向击穿,V2导通,V1截止,B点电位由R1和Rc以及IXDN404芯片内阻分压决定,箝位在15V,栅压降为10V。栅压的下降可有效地抑制故障电流并增加短路允许时间。降栅压运行时间为

t2= 1ln=1.09 s(2)

如果在这段时间内,电路恢复正常,D2导通,A点继续箝位,V2截止,V1导通,电路恢复2.1所说状态。如果D2仍处于断态,也就是故障电流仍然存在,C点电压继续上升,经过t2时间上升到13V,Z2反向击穿,V3导通,电容C2通过电阻R12放电,D点与B点电位同时下降,IGBT栅压逐渐下降,实现慢关断过程,避免了正常关断大电流时所引起的过电压。慢关断过程时间为t3,由C2和R12决定。由IXDN404工作电压范围为4.5~25V, 2=R12 C2=4.84 s,可知

t3= 2ln=5.83 s(3)

另外,在IGBT开通过程中,如果二极管D2不能及时导通,将造成保护电路的误动作,因此D2要选择快速二极管,也可通过适当增加Z1稳压值和增大电阻R9以增大C1充电时间常数延长保护电路动作时间。但这与保护动作的快速性相矛盾,具体应用时要根据实际电路要求和功率器件的特性作出折中的选择。

2.4 几点说明

1)为使驱动功率达到最大,本电路将两路输入输出并联使用,最大驱动峰值电流可达8A,这个峰值电流是由电容Cc瞬间放电产生;

2)光耦6N137输出为输入反相,IXDN404为同相输入输出,为保证控制逻辑正确,中间需加一级反相器,也可采用带反相的IXDI404;

3)图2中可在E点处加入一个光耦,其输出可作为短路保护信号送给控制逻辑,以封锁本路及其它各路的PWM信号,确保主电路安全;

4)IXDN404驱动电路对脉冲信号非常敏感,实际操作时要保证连线尽量短,输出要用双绞线接IGBT,电路所用元器件也可采用贴片式,既缩小驱动电路体积,也提高了工作稳定度。

图3为实测IGBT的门极驱动信号,其中通道1为输入控制信号,通道2为输出驱动信号。所用IGBT为仙童公司HGTG18N120BND。从图中可以看出驱动电路延迟时间仅为100ns。其中图3(d)为模拟IGBT过流时的保护波形,首先降栅压运行,然后慢关断,最后由于低电压供电,IXDN404输出驱动电压封锁在-2V左右。

(a)100kHz时的驱动波形

(b)100kHz时的上升过程

(c)100kHz时的下降过程

(d)20kHz时保护波形

图3 电路实测驱动波形

3 结语

由IXDN404组成的IGBT驱动与保护电路可满足IGBT驱动要求,其特点可归纳如下:

驱动电源+20V单路供电,驱动栅压+15V~-5V;

最大驱动峰值电流可达8A,满足大功率IGBT驱动要求;

电路信号延迟时间短,工作频率可以达到100kHz或者更高,可适应大多数电路需要;

可实现过流保护及降栅压慢关断功能;

电路成本相对较低。

综上所述,这种驱动保护电路是一种低成本、高性能的IG而电液伺服材料实验机BT驱动电路。

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