1. igbt器件型號(hào)選擇
1）igbt承受的正反向峰值電壓
考慮到2-2.5倍的安全系數(shù)，可選igbt的電壓為1 200 v。
2）igbt導(dǎo)通時(shí)承受的峰值電流。
額定電流按380 v供電電壓、額定功率30 kva容量算。選用的igbt型號(hào)為semikron公司的skm400ga128d。
2. igbt驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求
對(duì)于大功率igbt，選擇驅(qū)動(dòng)電路基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)斷偏置、門(mén)極電荷、耐固性和電源情況等。門(mén)極電路的正偏壓vge負(fù)偏壓-vge和門(mén)極電阻rg的大小，對(duì)igbt的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力以及dv／dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系見(jiàn)表1。柵極正電壓 的變化對(duì)igbt的開(kāi)通特性、負(fù)載短路能力和dvce／dt電流有較大影響，而門(mén)極負(fù)偏壓則對(duì)關(guān)斷特性的影響比較大。在門(mén)極電路的設(shè)計(jì)中，還要注意開(kāi)通特性、負(fù)載短路能力和由dvce／dt 電流引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題（見(jiàn)表1）。
表1 igbt門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系
由于igbt的開(kāi)關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化，因而驅(qū)動(dòng)電路性能的好壞將直接影響igbt能否正常工作。為使igbt能可靠工作。igbt對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路提出了以下要求。
1）向igbt提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?。并且在igbt導(dǎo)通后。柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給igbt的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使igbt的功率輸出級(jí)總處于飽和狀態(tài)。瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證igbt不退出飽和區(qū)。igbt導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān)，在漏源電流一定的情況下，vge越高，vds儺就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是， vge并非越高越好，一般不允許超過(guò)20 v，原因是一旦發(fā)生過(guò)流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，igbt損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 v為宜。
2）能向igbt提供足夠的反向柵壓。在igbt關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)，這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的igbt處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的igbt加一反向柵壓f幅值一般為5～15 v），使igbt在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。
3）具有柵極電壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。igbt柵極極限電壓一般為+20 v，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。
4）由于igbt多用于高壓場(chǎng)合。要求有足夠的輸人、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。
5）igbt的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單、實(shí)用。應(yīng)具有igbt的完整保護(hù)功能，很強(qiáng)的抗干擾能力，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。
3. 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來(lái)隔離輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵，采用厚膜或pcb工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產(chǎn)品主要用于igbt的驅(qū)動(dòng)，因igbt具有電流拖尾效應(yīng)，所以光耦驅(qū)動(dòng)器無(wú)一例外都是負(fù)壓關(guān)斷。
m57962l是日本三菱電氣公司為驅(qū)動(dòng)igbt設(shè)計(jì)的厚膜集成電路，實(shí)質(zhì)是隔離型放大器，采用光電耦合方法實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離，隔離電壓高達(dá)2 500 v，并配置了短路／過(guò)載保護(hù)電路。
m57962l可分別驅(qū)動(dòng)600 v／200 a和600 v／400 a級(jí)igbt模塊，具有很高的性價(jià)比。本次課題設(shè)計(jì)中選用的igbt最大電流400 a考慮其他隔離要求及保護(hù)措施，選用了m57962l設(shè)計(jì)了一種igbt驅(qū)動(dòng)電路。
圖1為m57962l內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開(kāi)關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻（約185 ω），可將5 v的電壓直接加到輸入側(cè)。它采用雙電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成有2 500 v高隔離電壓的光耦合器和過(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)電流保護(hù)輸出信號(hào)端子和與ttl電平相兼容的輸入接口，驅(qū)動(dòng)電信號(hào)延遲最大為1.5us。
圖1 m57962l的結(jié)構(gòu)框圖
當(dāng)單獨(dú)用m57962l來(lái)驅(qū)動(dòng)igbt時(shí)。有三點(diǎn)是應(yīng)該考慮的。首先。驅(qū)動(dòng)器的最大電流變化率應(yīng)設(shè)置在最小的rg電阻的限制范圍內(nèi)，因?yàn)閷?duì)許多igbt來(lái)講，使用的rg 偏大時(shí)，會(huì)增大td（on ）（導(dǎo)通延遲時(shí)間）， t d（off） （截止延遲時(shí)間），tr（上升時(shí)間）和開(kāi)關(guān)損耗，在高頻應(yīng)用（超過(guò)5 khz）時(shí)，這種損耗應(yīng)盡量避免。另外。驅(qū)動(dòng)器本身的損耗也必須考慮。
如果驅(qū)動(dòng)器本身?yè)p耗過(guò)大，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器過(guò)熱，致使其損壞。最后，當(dāng)m57962l被用在驅(qū)動(dòng)大容量的igbt時(shí)，它的慢關(guān)斷將會(huì)增大損耗。引起這種現(xiàn)象的原因是通過(guò)igbt的gres（反向傳輸電容）流到m57962l柵極的電流不能被驅(qū)動(dòng)器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關(guān)斷時(shí)間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應(yīng)用m57962l設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖2。
圖2 igbt驅(qū)動(dòng)電路
電源去耦電容c2 ～c7采用鋁電解電容器，容量為100 uf／50 v，r1阻值取1 kω，r2阻值取1.5kω，r3取5.1 kω，電源采用正負(fù)l5 v電源模塊分別接到m57962l的4腳與6腳，邏輯控制信號(hào)in經(jīng)l3腳輸入驅(qū)動(dòng)器m57962l。雙向穩(wěn)壓管z1選擇為9.1 v，z2為18v，z3為30 v，防止igbt的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅(qū)動(dòng)電路，二極管采用快恢復(fù)的fr107管。
4. 柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇
使用m57962l，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流的上升率（di/dt），需要在柵極回路中串聯(lián)電阻rg，若柵極電阻過(guò)大，則igbt的開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加；若柵極電阻過(guò)小則使dic／dt 過(guò)大可能引發(fā)igbt的誤導(dǎo)通，同時(shí)r。上的能耗也有所增加。所以選擇驅(qū)動(dòng)電阻阻值時(shí)，要綜合考慮這兩方面的因素，并防止輸出電流，iop超過(guò)極限值5 a.rg 的選取可以依據(jù)公式：
對(duì)大功率的igbt模塊來(lái)說(shuō)，rgmin數(shù)值一般按下式計(jì)算：
這是因?yàn)閷?duì)于大功率的igbt模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)和防止內(nèi)部的振蕩，模塊內(nèi)部的各個(gè)開(kāi)關(guān)器件都會(huì)包含有柵極電阻器r g（int） ，r g（int） 數(shù)值視模塊種類(lèi)不同而不同，一般在0.75—3ω 之間，而f的數(shù)值則依靠柵極驅(qū)動(dòng)電路的寄生電感和驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)速度來(lái)決定，所以獲得 r gmin 的最佳辦法就是在改變r(jià)g時(shí)監(jiān)測(cè)iop，當(dāng)iop達(dá)到最大值時(shí)，rg達(dá)到極限值r gmin 。
但在使用中應(yīng)注意，rg不能按前面的公式計(jì)算，而要略大于r gmin 。如rg過(guò)小會(huì)造成igbt柵極注入電流過(guò)大，使igbt飽和，無(wú)法關(guān)斷，即在驅(qū)動(dòng)脈沖過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)igbt仍然導(dǎo)通。
本設(shè)計(jì)中要驅(qū)動(dòng)igbt為大電流的功率器件，所以在選擇rg時(shí)綜合上述的要求，選取rg為3.5ω 。