Introducción al controlador igbt
1 Requisitos del controlador de puerta IGBT
1.1 Voltaje del controlador de puerta
Debido a la gran impedancia del emisor de puerta del IGBT, puede ser activado mediante tecnología de accionamiento MOSFET. pero la capacitancia de entrada del IGBT es mayor que la del MOSFET, por lo que la polarización de conducción del IGBT debe ser mayor que la presión de polarización requerida para la conducción del MOSFET. La figura 1 es un ejemplo típico. Bajo la condición de +20 ℃, el umbral medido de voltaje de encendido del IGBT por debajo de 60 A y 1200 V es 5 ~ 6 V. En uso real, para obtener la caída mínima de voltaje de encendido, UGC ≥ (1,5 ~ 3) Uge (ésimo). Cuando aumenta UGE, el voltaje del colector Uce disminuirá y la pérdida de conducción también aumentará. Sin embargo, durante el proceso de cortocircuito de carga, Uge aumentará y la corriente del colector Ic también aumentará, reduciendo el ancho de pulso que el IGBT puede soportar daños por cortocircuito. Por lo tanto, la selección de Ugc no debe ser demasiado grande, suficiente para saturar completamente el IGBT, al tiempo que se limita la corriente de cortocircuito y su tensión (en equipos con un proceso de trabajo de cortocircuito, como el uso de IGBT en motores, +Uge debe Intente seleccionar el valor mínimo en las condiciones que cumplan con los requisitos, para mejorar su resistencia al cortocircuito).
1.2 Requisitos de fuente de alimentación
Para circuitos de puente completo o medio puente, las fuentes de alimentación de conducción de los tubos superior e inferior deben estar aisladas entre sí. Dado que el IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, la potencia de accionamiento requerida es muy pequeña. Se utiliza principalmente para cargar y descargar condensadores de entrada internos de cientos a miles de picofaradios, lo que requiere una gran corriente instantánea. Para que el IGBT se apague rápidamente, la resistencia interna de la fuente de alimentación debe reducirse tanto como sea posible y para evitar que el IGBT se encienda debido al du/dt generado cuando se apaga el IGBT. Se debe agregar un voltaje de apagado de -5 V para garantizar que se apague de manera completamente confiable (un voltaje inverso excesivo causará una falla inversa del emisor de puerta IGBT, generalmente entre -2 ~ 10 V).
1.3 Requisitos de forma de onda del controlador
Desde la perspectiva de reducir las pérdidas, los flancos ascendentes y descendentes del pulso de voltaje del controlador de puerta deben ser lo más pronunciados posible. El alto voltaje de la compuerta en el borde de ataque hace que el IGBT se encienda rápidamente y el tiempo para alcanzar la saturación es muy corto, lo que puede reducir las pérdidas de conducción. De manera similar, cuando el IGBT está apagado, el flanco descendente pronunciado puede acortar el tiempo de apagado, reduciendo así las pérdidas por apagado y la generación de calor. Sin embargo, en el uso real, cuando la carga inductiva es grande, no es adecuado cambiar demasiado rápido. Porque en este caso, el encendido y apagado rápido del IGBT producirá un voltaje máximo Ldi/dt con alta frecuencia, gran amplitud y ancho de pulso estrecho en el circuito, y este valor máximo es difícil de absorber. Este voltaje puede causar que el IGBT u otros componentes se dañen debido a una falla por sobrevoltaje. Por lo tanto, al seleccionar las velocidades ascendentes y descendentes de la forma de onda impulsora, se deben realizar consideraciones integrales basadas en las capacidades de resistencia de tensión de los componentes del circuito y el rendimiento del circuito de absorción du/dt.
1.4 Requisitos de potencia motriz
Dado que el proceso de conmutación de IGBT requiere una cierta cantidad de potencia, la corriente máxima mínima se puede obtener a partir de la siguiente fórmula:
I GP =△U ge /R G+R G;
Donde △uge =+uge+|uge |; RG es la resistencia interna del IGBT;
La potencia promedio de la fuente de alimentación de conducción es:
P AV =C ge △ Uge 2 f,
¿Dónde está? f es la frecuencia de conmutación; Cge es la capacitancia de la puerta.
Resistencia de compuerta 1,5
Para cambiar la inclinación de los bordes anterior y posterior del pulso de control, evitar la oscilación y reducir los picos de voltaje en el colector IGBT, se debe utilizar una resistencia de compuerta. instalarse en la cadena de compuerta IGBT. Resistencia adecuada Rg. Cuando Rg aumenta, el tiempo de conducción del IGBT se extiende y la pérdida y la generación de calor se intensifican cuando Rg disminuye, aumenta di/dt, lo que puede provocar una mala dirección y daños al IGBT. El valor de Rg debe seleccionarse en función de la capacidad actual, la tensión nominal y la frecuencia de conmutación del IGBT. Generalmente entre unos pocos ohmios y docenas de ohmios (la aplicación específica debe ajustarse adecuadamente según la situación real). Además, para evitar que el IGBT se dañe cuando se enciende o daña la puerta, se recomienda agregar una resistencia Rge entre las puertas con un valor de resistencia de aproximadamente 10 kω.
1.6 Requisitos de cableado de red
Un cableado de puerta razonable es muy útil para evitar posibles vibraciones, reducir la interferencia de ruido y proteger el funcionamiento normal de los IGBT.
A. Al realizar el cableado, minimice la inductancia parásita entre la etapa de salida del controlador y el lGBT (se debe minimizar el área rodeada por el bucle de accionamiento).
B. placa del controlador o proteger el circuito de accionamiento para evitar el acoplamiento entre el circuito de alimentación y el circuito de control;
c. El terminal del emisor auxiliar debe usarse para conectar el circuito de accionamiento;
D. Cuando la salida del circuito de accionamiento no se puede conectar directamente a Al conectar la compuerta IGBT, se debe utilizar una conexión de par trenzado (2 rpm/cm);
E. lo más cerca posible del emisor de la puerta.
1.7 Problema de aislamiento
Dado que los IGBT de potencia se utilizan principalmente en situaciones de alto voltaje en equipos electrónicos de potencia, el circuito de accionamiento debe estar completamente aislado en potencial de todo el circuito de control. Los principales métodos y sus ventajas y desventajas se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Métodos de aislamiento, ventajas y desventajas entre el circuito de accionamiento y el circuito de control
Aislamiento del optoacoplador
Ventajas: tamaño pequeño, estructura simple, fácil aplicación, salida El ancho del pulso no está limitado y es adecuado para el controlador PWM.
Desventajas
La supresión de interferencias en los modos 1 y *** no es ideal.
2. La velocidad de respuesta es lenta y la aplicación está limitada en condiciones de alta frecuencia.
3. Fuentes de alimentación auxiliares que deben aislarse entre sí
Utilice transformadores de pulso para aislamiento
Ventajas: velocidad de respuesta rápida, buen efecto de supresión en * *interferencia de modo.
Desventajas:
1. El ancho de pulso máximo de transmisión de la señal está limitado por las características de saturación del núcleo magnético, que generalmente no excede el 50%, y el ancho de pulso mínimo está limitado por la corriente magnetizante.
2. Debido a la influencia de las fugas de líquido y la formación de piel, la tecnología de procesamiento es complicada.
2 Introducción al circuito de accionamiento de puerta típico
2.1 Circuito de accionamiento del transformador de impulsos
El circuito de accionamiento del transformador de impulsos se muestra en la Figura 2. El circuito de accionamiento primario del transformador de impulsos consta de V1 ~ V4. Al controlar la conducción alternativa de V1, V4, V2 y V3, el pulso de activación se aplica al lado primario del transformador y el lado secundario se conecta a la puerta del IGBT5 a través de la resistencia R1. R1 y R2 evitan que la puerta del IGBT5 se desconecte y proporcionan un circuito de carga y descarga. El diodo conectado en paralelo con R1 es un diodo de aceleración que se utiliza para aumentar la velocidad de conmutación del IGBT5. La función de los diodos Zener VS1 y VS2 es limitar el voltaje aplicado al terminal IGBT5g-e y evitar que el voltaje de emisión de la compuerta sea demasiado alto como para romper la compuerta. En general, la tensión de red no debe exceder los 20 v.
Figura 2 Circuito impulsor del transformador de impulsos
2.2 Circuito impulsor de aislamiento del optoacoplador
El circuito impulsor de aislamiento del optoacoplador se muestra en la Figura 3. Debido a que IGBT es un dispositivo de alta velocidad, el optoacoplador seleccionado debe ser un optoacoplador de alta velocidad con un retardo pequeño. La señal de onda cuadrada emitida por el controlador PWM se agrega a la base del transistor V1, y el optoacoplador impulsor transmite el pulso al circuito amplificador de conformación IC1. Después de la amplificación por IC1, un par de transistores compuestos por V2 y V3 impulsan el optoacoplador (. V2 y V3 deben seleccionar β >: tubo de interruptor 100). La salida del transistor impulsa el IGBT4 a través de la resistencia R1. R3 es la resistencia de protección de la unión puerta-emisor R2 y el regulador de voltaje VS1 forma un circuito de generación de voltaje de polarización negativa que generalmente usa un regulador de voltaje de 1 W/5,1 V. Circuito Solo una fuente de alimentación puede generar pulsos de conducción positivos y negativos, lo que simplifica el circuito.
Figura 3 Circuito de accionamiento de aislamiento del optoacoplador
2.3 Circuito de accionamiento compuesto por módulos de accionamiento
La aplicación del circuito del módulo de accionamiento completo para controlar el IGBT puede mejorar en gran medida el rendimiento del confiabilidad del dispositivo. Los módulos de controlador disponibles actualmente son: EXB840 y 841 de Fujifilm, M57962L de Mitsubishi, KA101 y KA102 de Luomuyuan y HCPL316J de HP. Estos módulos tienen funciones tales como apagado suave por sobrecorriente, aislamiento de optoacoplador de alta velocidad, bloqueo por bajo voltaje y salida de señal de falla. Dado que este módulo tiene las ventajas de funciones de protección completas, sin necesidad de depuración y alta confiabilidad, la aplicación de este módulo para controlar IGBT puede acortar el ciclo de desarrollo del producto y mejorar la confiabilidad del producto. EXB840 y M57962 se introducen en muchos materiales. Se puede buscar información sobre KA101 y KA102 en Baidu. A continuación se ofrece una breve introducción al HCPL316J de HP. Un circuito típico se muestra en la Figura 4.
La Figura 4 es un circuito de accionamiento compuesto por módulos de accionamiento
HCPL316J puede controlar IGBT de 150 A/1200 V, aislamiento de optoacoplador, compatibilidad de nivel COMS/TTL, apagado suave por sobrecorriente, máximo velocidad de conmutación 500 ns, voltaje de trabajo 15 ~ 30v, protección contra bajo voltaje. La parte de salida es un tubo Darlington compuesto triple con una salida de colector abierto. Adopta montaje en superficie estándar SOL-16.
Las partes de entrada y salida del HCPL316J están dispuestas en ambos lados del circuito integrado. La señal de control generada por el circuito PWM se aplica al pin 1 de 316j. La parte de entrada requiere una fuente de alimentación de 1 5 V y el pin RESET está activo en nivel bajo. La salida de señal de falla se envía desde el sexto pin al extremo apagado del PWM, y la salida PWM se apaga a tiempo cuando ocurre una sobrecorriente. La parte de salida utiliza fuentes de alimentación duales de +15 V y -5 V para generar salidas de pulsos positivos y negativos. El pin 14 es el terminal de detección de sobrecorriente y el diodo VDDESAT detecta el voltaje del colector IGBT. Cuando se enciende el IGBT, si el voltaje del colector excede los 7 V, se considera que ha ocurrido una sobrecorriente. HCPL316J apaga lentamente el IGBT y, al mismo tiempo, el pin 6 envía una señal de sobrecorriente.
3. Conclusión
A través del análisis de las características del accionamiento de puerta IGBT y la introducción de circuitos de aplicación típicos, podemos tener una cierta comprensión de la aplicación de IGBT. Puede utilizarse como referencia para diseñar el circuito de accionamiento IGBT.