30kVA逆变电源中IGBT的驱动与保护

摘要：系统介绍30kVA逆变电源中IGBT的驱动与保护技术。提出IGBT对驱动电路的要求，介绍三菱的IGBT驱动电路M57962L和逆变电源中IGBT的过压、栅极过压、过流、过热保护措施。

关键词：IGBT驱动保护

Problems on Anti Jamming of Switching Power Supply

Abstract: On the basis of definition and experimental method of electromagnetic compatibility,general way and problem of anti jamming were introduced.At the same time,the characteristices of some new type anti jamming devices,FTS series of pulse antagonismers and LSA series of lightning surge absorbers,were presented.

Keywords: Electromagnetic jamming, Electromagnetic compatibility, Electromagnetic compatibility test, New type anti jamming devices

中图法分类号：TM92文献标识码：A文章编号：02192713(2000)0839603

　1引言

在我们研制的30kVA逆变电源中，最容易损坏的部件是组成逆变桥的IGBT，和其它电力电子器件相比，IGBT虽然具有电流容量大、驱动功率小、开关频率高等优点，但要用好IGBT，使其不受损坏并不容易。IGBT的驱动与保护问题是逆变电源能否可靠工作的基础和关键。本文就30kVA逆变电源装置中IGBT的驱动与保护技术进行叙述。

2IGBT的驱动

2.1IGBT对栅极驱动电路的要求

（1）栅极驱动电压

驱动电路提供的正偏压＋UGE使IGBT导通。增大正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此正偏压要适当，通常为＋15V。为了保证IGBT在C－E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，采用负偏压还可以减小关断损耗，负偏压取－9V左右为宜。

（2）栅极串联电阻Rg

IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻对IGBT的动态特性影响极大，减小Rg使开关时间和开关损耗减小，减小关断时dv/dt噪声带来误导通的可能性，提高IGBT的短路耐量，但会增加续流二极管反向恢复过电压，使EMI也增大。对于1200V/400A的IGBT，Rg取2Ω比较合适。

（3）驱动电路的电源

驱动电路的电源应稳定，能提供足够高的正负栅压，电源应有足够的功率，以满足栅极对驱动功率的要求。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立，以减小相互间的干扰，推荐使用带多路输出的开关电源作为驱动电路电源。

2.2三菱驱动模块M57962L简介

在我们的逆变电源装置中，使用了日本三菱公司的驱动模块M57962L。M57962L是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动600V/400A和1200V/400A的IGBT，M57962L的原理方框图如图1所示，它有以下几个特点：

（1）采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合20kHz左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻（约185Ω），可将5V的电压直接加到输入侧；

图1M579621L的原理框图

（2）如果采用双电源驱动技术，使输出负栅压比较高。电源电压的极限值为＋18V/－15V，一般取＋15V/－10V；

（3）信号传输延迟时间短，低电平－高电平的传输延迟时间以及高电平－低电平的传输延迟时间都在1.5μs以下；

（4）具有过流保护功能。M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流，一旦过流，M57962L将对IGBT实施软关断，并输出过流故障信号。

M57962L的典型应用实例如图2所示。

3IGBT的保护

图2M579621L的典型应用实例

IGBT损坏的原因可以归结为以下3个方面：

S过热损坏，它又分为由于集电极电流过大引起的瞬时过热损坏和其它原因引起的持续过热损坏；

S集电极发射极间过压损坏；

S栅极过压损坏。

因此IGBT的保护要从以下4个方面着手：

S集电极发射极间过电压保护；

S栅极过电压保护；

S过流保护；

S过热保护。[p]

3.1集电极、发射极间过电压保护

IGBT的集电极发射极间产生过电压的类型有两类，即IGBT关断过电压和续流二极管反向恢复过电压。安装缓冲电路是抑制集电极、发射极间过电压的有效措施。缓冲电路之所以能减小IGBT集电极发射极间的过电压，是因为它给回路电感提供了泄能回路，降低了回路电感上电流的变化率。30kVA逆变电源中所采用的缓冲电路如图3所示。

图3所示电路中采用以下3种器件及电路：

图3缓冲电路

（1）金属氧化物压敏电阻（Rrl～Rr5）

金属氧化物压敏电阻是一种良好的电压尖峰抑制器件，它的响应时间为ns级，能抑制宽度很窄的尖峰电压，金属氧化物压敏电阻具有通流容量大（500A～5000A），平均漏电流小（几μA），使用电压范围广（30V～1500V），体积小、可靠性高且价格便宜等特点。但它能抑制的尖峰电压宽度不能过大，否则压敏电阻将会因功耗过大而烧坏。

（2）并在直流母线上的无感电容。

（3）由R，C，VD组成的放电阻止型缓冲电路，在放电阻止型缓冲电路中，要选择高频特性好的无感电容器作为缓冲电容，要选择过渡正向电压低，反向恢复时间短，反向恢复特性软的二极管作为缓冲二极管，缓冲二极管的反向耐压及峰值正向电流要与IGBT的额定电压及额定电流相当。

图4栅极过压保护电路

3.2栅极过电压保护

IGBT的栅极出现过电压的原因有两个：

（1）静电聚积在栅极电容上引起过压；

（2）密勒效应引起的栅极过压，栅极过压保护电路如图4所示。

3.3过电流保护

图5集中过电流保护框图

在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，会造成IGBT因过流而损坏。在30kVA逆变电源中，采用集中过电流保护与分散过电流保护相结合的过流保护策略，所谓集中过电流保护，就是通过检测逆变桥输入直流母线上的电流，当该电流值超过设定的阈值时，封锁所有桥臂IGBT的驱动信号；分散过电流保护是通过检测逆变桥各个桥臂上的电流，当该电流超过设定的阈值时，封锁该桥臂IGBT的驱动信号，采取双重过电流保护使装置的可靠性大大提高。[p]