大功率的MOSFET和IGBT驱动芯片.docVIP

关键词：IGBT；驱动与保护；IXDN404 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1800pF15ns； --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。 表1 IXDN404主要电气参数 符 号参数测试条件最小值典型值最大值单位 Vih输入门限电压，逻辑1 空 3.5空 空 V Vil输入门限电压，逻辑0 空 空 空 0.8V Voh输出电压，逻辑1 空 Vcc－0.025空 空 V Vol输出电压，逻辑0 空 空 空0.025V Ipeak峰值输出电流 Vcc=18V4空 空 A Idc连续输出电流 Vce=18V空 空 1A tr上升时间 C1=1800pF Vcc=18V111215ns tf下降时间 C1=1800pF Vcc=18V121417ns tond上升时间延迟 C1=1800pF Vcc=18V333438ns toffd下降时间延迟 C1=1800pF Vcc=18V283035ns Vcc供电电压 空 4.51825V Icc供电电流 Vin=＋Vcc空 空 10μA 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。 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τ1=R9×C1=2.42μs，C1充电到9V的时间为 t1=τ1ln[20/(20-19)]=1.45μs（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。 图2 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=τ1ln(20-0)/(20-13)=1.09μs（2