发电机组自动调压系统设计 第7页
图 3.3  N-IGBT的简化等效电路
IGBT是一种场控器件，它的开通和关断由栅极和发射极间电压 决定，当栅射电压 为正且大于开启电压 时，MOSFET内形成沟道并为PNP晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极间不加信号或加反向电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关闭。
由于具有以上所述的内部结构，IGBT主要有以下几个特点：
(1)IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的。只是在集射电压 下降过程后期， 波形为两段；在关断过程中，集电极电流 的波形也分为两段。
(2)在IGBT导通的大部分电流范围内， 与栅射电压 呈线性关系， 越大则 越大。
(3)由于IGBT的四层结构，使其体内存在一个寄生晶闸管，它会在某种情况下发生擎住效应，导致器件损坏。在IGBT的关断过程中，如果d /dt过高，从而使IGBT产生动态擎住效应。
(4)由于IGBT内部存在电导调制效应，所以，IGBT的通态压降很低。
3.2.2IGBT驱动及保护回路的设计
一、IGBT对驱动电路的要求
IGBT实际应用中的一个重要问题是栅极驱动电路设计的合理与否，IGBT的工作特性与栅极驱动条件密切相关。根据IGBT的特点，IGBT对驱动电路的要求有以下几点。
(1)提供适当的正反向输出电压，使IGBT能可靠地开通和关断。+ 增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的 增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中+ 应选小些，一般选+12V~+15V为最佳；负偏压- 可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，但其受G、E间最大反向耐压限制，一般取-5V~-10V。
(2)IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作效率，减小开关损耗。但在大电感负载下，IGBT的开关时间不宜过短，原因在于高速开通和关断会产生很高的尖峰电压Ld /dt，极有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
用小内阻的驱动电源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。
 (3) IGBT开通后，栅极驱动应提供足够的功率使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
(4) IGBT驱动电路中的栅极串联电阻 （如图3.4所示）对工作性能有较大的影响。
图3.4  栅射电阻与反串稳压管的并接电路
 较大，有利于抑制IGBT的电流上升率d /dt及电压上升率du/dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗； 较小，会引起d /dt增大，使IGBT误导通或损坏。选择原则是应在开关损耗不太大的情况下，选略大的 。 的具体数值还与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧至几十欧之间，小容量的IGBT其 值较大。IGBT栅极串联电阻推荐表如表3.1所示：
表3.1  IGBT栅极串联电阻推荐表
额定电流/A 600V 50 100 150 200 300 400 600 800
 1200V  25 50 75 100 150 200 300 400 /
51 25 15 12 8.2 5.1 2.3 2.2
(6)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT为压控型器件，当集射极加高压时很容易受外界干扰，使栅射电压超过 引起器件误导通。为了提高抗干扰能力，除驱动IGBT的触发引线应尽量短且应采用双绞线或屏蔽线外，在栅射极间务必并接栅射电阻 ，如图3.4，一般取 =（1000-5000） ， 应并在栅射极最近处。V1、V2是为了防止驱动电路出现高压尖峰而并联的两只稳压管，稳压值应与正偏栅压与负偏压大小相同而方向相反。信号控制电路与驱动电路之间应采用抗干扰能力强、传输时间短的高速光电耦合器件加以隔离[7]。
二、M57962AL的介绍：
经过多方比较，本课题决定采用日本三菱公司生产的IGBT专用厚膜集成电路M57962AL，它是日本三菱公司开发生产的可驱动N沟道IGBT的一种混合集成驱动电路。
1.内部功能方框图和管脚
图3.5  M57962AL内部原理框图
2.主要特点
(1)采用双电源驱动技术。电源电路：采用双电源直流供电电压产生+15V的+ 和-5V的- ，以保证IGBT可靠的导通和关断。
(2)信号隔离电路。内部输入与输出间用光电耦合器实现电气隔离，绝缘耐压水平2500V/min.故能用在以IGBT为主开关器件的大功率设备上。
(3)过电流保护功能。能按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过电流，内置的过电流保护功能使得IGBT能够更加安全地工作，并且具有过电流检测输出信号。
(4)低速过电流切断电路。当流过IGBT的电流超过设定值时，低速过电流切断电路可慢速关断IGBT，以防止过快地切断过电流时因电路中电感的存在而在集电极上产生较高的电压尖脉冲，以至损坏IGBT。
(5)单列直插式采用树脂封装使其具有高密度的安装方式和保密性。
M57962AL驱动芯片是通过检测IGBT在导通过程中的饱和压降 来实施对IGBT的过电流保护的，对IGBT的过电流处理完全由驱动芯片自身完成。对IGBT过电流保护的处理采用了软关断方式，因此主电路的dv/dt比硬关断时小了许多，这对IGBT的使用较为有利。同时，M57962AL驱动芯片内集成了功率放大电路，这在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。
表3.2  M57962AL的引脚功能
引脚 功能 引脚 功能
1 欠饱和可用来近似反映过流流或短路保护检测信号输入端 6 输出极电源参考地端
2 软关断斜率电容连接端  8 软关断报警信号输出端
4 被驱动的IGBT脉冲功率放大
输出级正电源连接端 13 驱动脉冲输入负端
5 驱动输出脉冲正极连接端  14 驱动脉冲输入正端
3、7、9、10 用于厂家测量 4、11、12 悬空
使用M57962AL系列专用驱动电路时应注意以下几点：
(1)由于IGBT的驱动功率不需要放大（可控硅须有专门的驱动功率放大电路板），所以，驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1米，且应使用双绞线，以提高抗干扰能力。
(2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压尖脉冲，应增加IGBT栅极串接电阻 的阻值。
(3)光电耦合器抗干扰能力差，应尽可能采用低阻的脉冲源驱动M57962AL输入端[8]。
(4)应对驱动电路和控制电路的供电电压分别进行监视。因为M57962AL供电不足可导致驱动脉冲异常，而控制电路供电不足可导致M57962AL的光耦驱动不足，

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