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逆變H橋IGBT單管驅(qū)動(dòng)保護(hù)方法,IGBT燒毀可被終結(jié)

發(fā)布時(shí)間:2015-04-13 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】逆變電源是一種較為常見(jiàn)的電流轉(zhuǎn)換電源,在替換之后的開(kāi)機(jī)帶載很有可能發(fā)生炸機(jī),想要避免這種情況,可以從峰值電流保護(hù)入手,做好驅(qū)動(dòng)和保護(hù)就能保證IGBT不會(huì)爆炸,本篇文章詳解了這種逆變H橋IGBT單管驅(qū)動(dòng)保護(hù)的方法。
 
逆變電源是一種較為常見(jiàn)的電流轉(zhuǎn)換電源,它能夠?qū)⑵胀ǖ闹绷麟娹D(zhuǎn)換為所需的交流電。在逆變電源的H橋當(dāng)中,有時(shí)需要將電路中的MOS管替換為IGBT。但在替換之后的開(kāi)機(jī)帶載很有可能發(fā)生炸機(jī)。
 
想要避免這種情況,可以從峰值電流保護(hù)入手,做好驅(qū)動(dòng)和保護(hù)就能保證IGBT不會(huì)爆炸,本篇文章詳解了這種逆變H橋IGBT單管驅(qū)動(dòng)保護(hù)的方法,希望能對(duì)大家有所幫助。
 
被人們熟知的逆變電源H橋電路,也可稱(chēng)為逆變電源的后級(jí)。本設(shè)計(jì)中需要加上IGBT,同樣電流容量的IGBT單管,比同樣電流容量的MOSFET要脆弱,也就是說(shuō),在逆變H橋里同樣的電流容量下,MOSFET的承受能力要比IGBT高。
 
也許有的朋友會(huì)認(rèn)為一個(gè)IRFP460,20A/500V的MOSFET,再加上SGH40N60UFD 40A/600V的IGBT應(yīng)該足以防止爆炸的發(fā)生,但實(shí)際情況卻是,帶載之后突然加負(fù)載和撤銷(xiāo)負(fù)載,之后就炸機(jī)了。
 
通過(guò)不斷的實(shí)踐后,其實(shí)只要遵循特定的規(guī)律,完全可以防止炸機(jī)的發(fā)生。就是采用峰值電流保護(hù)的措施就能讓IGBT不會(huì)炸。我們將這個(gè)問(wèn)題看出幾個(gè)部分來(lái)解決:驅(qū)動(dòng)電路;電流采集電路;保護(hù)機(jī)制。
 
驅(qū)動(dòng)電路
 
這次采用的IGBT為IXGH48N60B3D1,驅(qū)動(dòng)電路如下:
驅(qū)動(dòng)電路
圖1 IXGH48N60B3D1驅(qū)動(dòng)電路圖
 
這是一個(gè)非常典型的應(yīng)用電路,完全可以用于IGBT或者M(jìn)OSFET,但是也有些不一樣的地方。
 
從整體來(lái)看,這個(gè)電路并沒(méi)有保護(hù),用在逆變電源上肯定會(huì)炸機(jī)。所以我們要做的就是將這個(gè)電路的實(shí)質(zhì)摸清楚。
 
在圖1當(dāng)中,驅(qū)動(dòng)電阻R2在驅(qū)動(dòng)里頭非常重要,D1配合關(guān)閉的時(shí)候,讓IGBT的CGE快速的放電,但在這里需要說(shuō)明的是,這個(gè)D1可以根據(jù)需要進(jìn)行添加,可在D1回路里頭串聯(lián)一個(gè)電阻做0FF關(guān)閉時(shí)候的柵極電阻。
 
波形圖片和實(shí)例
波形圖片和實(shí)例
圖2
 
圖2是波形圖,是在不同的柵極電阻下,與*HV+400V共同產(chǎn)生作用的時(shí)上下2個(gè)IGBT柵極的實(shí)際情況。
 
圖2(a)是在取消負(fù)壓的時(shí)候,上下2管之間的柵極波形,柵極電阻都是在10R情況下。在不加DC400V情況下測(cè)量2管G極波形,圖2(b)是在DC400V情況下,2管的柵極波形。
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為何第二個(gè)圖會(huì)有一個(gè)尖峰呢?這個(gè)要從IGBT的內(nèi)部情況說(shuō)起,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),IGBT的GE上有一個(gè)寄生的電容,它和另外的CGC一個(gè)寄生電容共同組成一個(gè)水池子,那就是QG,其實(shí)這個(gè)和MOSFET十分接近。
 
那么在來(lái)看看為何400V加上去就會(huì)在下管上的G級(jí)上產(chǎn)生尖峰。
G級(jí)上產(chǎn)生尖
圖3
 
如圖3所示,當(dāng)上管開(kāi)通的時(shí)候,此時(shí)是截止的,由于上管開(kāi)通的時(shí)候,要引入DV/DT的概念,這個(gè)比較抽象,先不管它,簡(jiǎn)單通俗的說(shuō)就是上管開(kāi)通的時(shí)候,上管等效為直通了,+DC400V電壓立馬加入到下管的C級(jí)上,這么高的電壓立刻從IGBT的寄生電容上通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流,這個(gè)感應(yīng)電流圖3有公式計(jì)算,這個(gè)電流在RG電阻和驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻的共同作用下,在下管的柵極上構(gòu)成一個(gè)尖峰電壓,如上面那個(gè)示波器的截圖所示。到目前為止,都還沒(méi)有提到米勒電容的概念,但是只要理解了這些,然后對(duì)著規(guī)格書(shū)一看,米勒電容是什么,對(duì)電路有何影響,就容易理解多了。
 
這個(gè)尖峰有許多壞處,從上面示波器截圖可以看出來(lái),在尖峰時(shí)刻,下管實(shí)際上已經(jīng)到7V電壓,也就是說(shuō)在尖峰的這個(gè)時(shí)間段內(nèi),上下2個(gè)管子是共同導(dǎo)通的。下管的導(dǎo)通時(shí)間短,但是由于有TON的時(shí)間關(guān)系在里面,所以這個(gè)電流不會(huì)太大。管子不會(huì)炸但會(huì)發(fā)熱,隨著傳輸?shù)墓β试酱螅@個(gè)情況會(huì)更加嚴(yán)重,大大影響效率。
 
本來(lái)是要發(fā)出加入負(fù)壓之后波形照片,負(fù)壓可以使這個(gè)尖峰在安全的電平范圍內(nèi)。示波器需要U盤(pán)導(dǎo)出位圖。
 
電流采集電路
 
經(jīng)過(guò)上面的步驟,講到電源保護(hù)已經(jīng)不遠(yuǎn)了。建議是電流采集速度要很快,這樣才能在過(guò)流或短路的時(shí)候迅速告訴后面的電路。這里需要注意的問(wèn)題是如何讓IGBT迅速安全的關(guān)閉。
 
這個(gè)電路該如何實(shí)現(xiàn)呢?對(duì)于逆變電路,我們可以直接用電阻采樣,也可以用VCE管壓降探測(cè)方式。真正實(shí)際應(yīng)用過(guò),測(cè)試過(guò)的電路(專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片例外),這是因?yàn)槊糠N實(shí)際應(yīng)用的參數(shù)大不一樣,比如IGBT參數(shù)不同,需要調(diào)整的參數(shù)很多,需要一定的經(jīng)驗(yàn)做調(diào)整。
 
可以使用圖4這種電路,采用電阻檢測(cè)電流,短路來(lái)時(shí)可以在電阻上產(chǎn)生壓降,用比較器和這個(gè)電壓進(jìn)行比較,得出最終是否有過(guò)流或者短路信號(hào)。
原理
圖4
 
圖4原理非常簡(jiǎn)單,就一個(gè)比較的作用,大家實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)非常容易,沒(méi)有多少參數(shù)可以調(diào)整的。圖4中采樣H橋?qū)Φ氐碾娏?,舉個(gè)例子:如果IGBT是40A,可以采取2倍左右的峰值電流,也就是80A,對(duì)應(yīng)圖4,RS為0.01R,如果流入超過(guò)80A脈沖電流那么在該電阻上產(chǎn)生0.01R*80A=0.8V電壓,此電壓經(jīng)過(guò)R11,C11消隱之后到比較器的+端,與來(lái)自-端的基準(zhǔn)電壓相比較,圖上的-端參考電阻設(shè)置不對(duì),實(shí)際中請(qǐng)另外計(jì)算,本例可以分別采用5.1K和1K電阻分壓變成0.81V左右到-端,此時(shí)如果采樣電阻RS上的電壓超過(guò)0.8V以上,比較器立即翻轉(zhuǎn),輸出SD 5V電平到外部的電路中。這個(gè)變化的電平信號(hào)就是我們后面接下來(lái)需要使用的是否短路過(guò)流的信號(hào)了。
 
有了這個(gè)信號(hào)了,那我們?nèi)绾侮P(guān)閉IGBT呢?我們可以看情形是否采取軟關(guān)閉,也可以采取直接硬關(guān)閉。
 
采取軟關(guān)閉,可以有效防止在關(guān)閉的瞬間造成電路的電壓升高的情況,關(guān)閉特性非常軟,很溫柔,非常適合于*大功率的驅(qū)動(dòng)電路。
 
如果采取硬關(guān)閉,可能會(huì)造成*DC上的電壓過(guò)沖,比如第一圖中的DC400V*可能變成瞬間變成DC600V也說(shuō)不定,一些資料上的記載讓人非常難以理解。
 
如果大家難以理解,可以做個(gè)試驗(yàn),以水塔為例,水塔在很高的樓上,水龍頭在一樓,打開(kāi)水龍頭,水留下來(lái)了,然后用極快的速度關(guān)閉這個(gè)水龍頭,會(huì)聽(tīng)到水管子有響聲,連水管子都會(huì)要震動(dòng)一下,管子能抗過(guò)去,比如在直流*母線上并聯(lián)了非常好的吸收電容,有多重吸收電路等等……
 
否則,管子關(guān)閉的時(shí)候會(huì)失效,關(guān)了也沒(méi)有用,IGBT還是會(huì)被過(guò)沖電壓擊穿短路,而且這個(gè)短路是沒(méi)有辦法恢復(fù)的,會(huì)立即損壞非常多的電路。有時(shí)候沒(méi)有過(guò)壓也能引起這種現(xiàn)象,這個(gè)失效的原理具體模型本人未知,但是可以想象的是可能是由于管子相關(guān)的其他寄生電容和米勒電容共同引起失效的,或者是由于在過(guò)流,短路信號(hào)發(fā)生時(shí)候,IGBT已經(jīng)發(fā)生了擎柱效應(yīng)就算去關(guān),關(guān)也關(guān)不死了。
 
還有第三種方式,是叫做:二級(jí)關(guān)閉,這種方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是檢測(cè)到了短路,過(guò)流信號(hào),PWM此時(shí)這個(gè)脈沖并沒(méi)有打算軟關(guān)閉或直接關(guān)閉,而是立即將此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的VGE驅(qū)動(dòng)脈沖電壓降低到8V左右以此來(lái)判斷是否還是在過(guò)流或短路區(qū)域,如果還是,繼續(xù)沿用這個(gè)8V的驅(qū)動(dòng),一直到設(shè)定的時(shí)間,比如多個(gè)us還是這樣就會(huì)立即關(guān)了,如果是,PWM將會(huì)恢復(fù)正常。這種方式一般可能見(jiàn)到不多,所以我們不做深入研究。
 
理解了這些,我們可以看情況來(lái)具體采用那些關(guān)閉的方式,我認(rèn)為在2KW級(jí)別中,DC380V內(nèi),直接采取硬關(guān)閉已經(jīng)可以滿足要求了,只需要在H橋上并聯(lián)吸收特性良好的一個(gè)電容,就可以用600V的IGBT了。
 
至關(guān)重要的是,在對(duì)逆變電源的IGBT進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候一定要眼疾手快,在檢測(cè)時(shí)也是如此,在檢測(cè)完成之后要盡快關(guān)閉。這樣才能保證IGBT不會(huì)被燒毀。本篇文章從電路開(kāi)始講起,針對(duì)于逆變電源的IGBT的炸機(jī)問(wèn)題,從波形、電流采集電路這幾個(gè)方面給出了經(jīng)驗(yàn)建議,希望大家能從中獲得炸機(jī)的解決方法。
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