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IGBT驱动芯片IXDN404应用及改进

晨怡热管 2007/3/29 2:51:41
摘要: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

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。

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

3.5 V
Vil

输入门限电压,逻辑0

0.8 V
Voh

输出电压,逻辑1

Vcc-0.025 V
Vol

输出电压,逻辑0

0.025 V
Ipeak

峰值输出电流

Vcc=18V 4 A
Idc

连续输出电流

Vce=18V 1 A
tr

上升时间

C1=1800pF Vcc=18V 11 12 15 ns
tf

下降时间

C1=1800pF Vcc=18V 12 14 17 ns
tond

上升时间延迟

C1=1800pF Vcc=18V 33 34 38 ns
toffd

下降时间延迟

C1=1800pF Vcc=18V 28 30 35 ns
Vcc

供电电压

4.5 18 25 V
Icc

供电电流

Vin=+Vcc 10 μA

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。



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)

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,τ2=R12×C2=4.84μs,可知

t3=τ2ln(15/4.5)=5.83μs    (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。

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IGBT驱动电路。

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