摘 要： 為了滿足感應(yīng)加熱電源中對IGBT驅(qū)動與保護(hù)功能的要求，采用北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的專用于大功率單管MOSFET和IGBT的驅(qū)動芯片TX-KA101為核心器件設(shè)計一個驅(qū)動電路。該驅(qū)動芯片具備完善的三段式過流保護(hù)功能，工作頻率高(可達(dá)80 kHz),延遲時間小,驅(qū)動能力強(qiáng)，保護(hù)功能完善，因而非常適合10~50 kW感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用。對此驅(qū)動電路的構(gòu)成、工作原理、外圍電路的設(shè)計和參數(shù)設(shè)置作了詳細(xì)的描述并給出實(shí)驗結(jié)果，最后經(jīng)部分公司在中頻感應(yīng)加熱電源上的成功應(yīng)用進(jìn)一步驗證了由KA101驅(qū)動芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠,效率高,發(fā)熱量小，可以經(jīng)受工業(yè)環(huán)境中的嚴(yán)峻考驗。
關(guān)鍵詞： 感應(yīng)加熱； IGBT驅(qū)動和保護(hù)；TX-KA101；三段式過流保護(hù)
感應(yīng)加熱電源已經(jīng)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，其中功率半導(dǎo)體器件及其控制技術(shù)的發(fā)展是影響大功率感應(yīng)加熱電源應(yīng)用水平的重要因素。目前以IGBT器件為代表的功率半導(dǎo)體器件采用電壓型驅(qū)動，具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、飽和壓降低以及可耐高壓、大電流等一系列優(yōu)點(diǎn)[1],被廣泛運(yùn)用在感應(yīng)加熱電源中。
在IGBT的具體應(yīng)用中，對于不同的頻率、功率等級和不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其驅(qū)動和保護(hù)電路各不相同。因此需要應(yīng)用工程師考慮方方面面的問題。針對IGBT構(gòu)成的單相橋式串聯(lián)諧振逆變器的感應(yīng)加熱電源,本文提出一種采用北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的IGBT專用驅(qū)動芯片TX-KA101作為核心器件，附加簡單的外圍和檢測電路構(gòu)成的IGBT驅(qū)動電路,很好地解決了以上幾個方面的問題。它具有驅(qū)動能力強(qiáng)、延時小、工作頻率高的優(yōu)點(diǎn)，在短路過流保護(hù)方面，采用優(yōu)于行業(yè)其他產(chǎn)品的三段式過流軟關(guān)斷技術(shù)，能有效降低IGBT損壞的風(fēng)險。同時可根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)保護(hù)閾值、盲區(qū)、軟關(guān)斷時間等參數(shù)，使產(chǎn)品的適用性得到極大的提高。
1 KA101驅(qū)動構(gòu)成及工作原理
1.1 KA101主要特點(diǎn)
TX-KA101是北京落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的專用于IGBT驅(qū)動的單管大功率集成芯片，它具有驅(qū)動延遲時間小(小于0.6 μs)、工作頻率高(可達(dá)80 kHz)的特點(diǎn)，驅(qū)動輸出正電壓+14.5 V,負(fù)電壓-8.5 V，保證可靠的關(guān)斷且避免了干擾。此外，它還具有工作效率高、發(fā)熱量小、外圍電路簡單、保護(hù)參數(shù)齊全、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
1.2 驅(qū)動電路原理
圖1是TX-KA101的原理框圖，PWM信號經(jīng)高速光耦HCPL-0453隔離、放大，再到輸出驅(qū)動IGBT。當(dāng)IGBT集射極電壓超過用戶設(shè)定閾值時，檢測過流端(7腳)就會檢測到，從而啟動內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制：先是有一段盲區(qū)(避免尖峰干擾)；然后是降柵壓，讓短路電流減小，延長允許的短路過流時間；之后再判斷是不是真過流，若是真過流則進(jìn)行軟關(guān)斷一直到可靠關(guān)斷的負(fù)電平(大約-3 V)，否則恢復(fù)正常PWM波。
4 IGBT過流保護(hù)電路的設(shè)計及參數(shù)的選擇
驅(qū)動器保護(hù)信號接口如圖3所示。
4.1過流閾值設(shè)定及調(diào)試
觸發(fā)過流保護(hù)動作時的7腳對16腳的電壓為過流閾值。當(dāng)7腳對16 腳(即 IGBT 的集射極)的電位升高到7.5 V時啟動內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制，在6腳與16腳間接一個電阻Rn可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)過流保護(hù)的閾值。
4.2 盲區(qū)時間設(shè)定
檢測到IGBT集電極的電位高于保護(hù)動作閾值后到開始降柵壓的時間為盲區(qū)時間。因為各種尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護(hù)影響驅(qū)動芯片的正常工作，設(shè)立盲區(qū)是很有必要的。在5腳與12腳間接一個電容Cblind可以調(diào)大盲區(qū)的時間。
4.3 預(yù)降柵壓
實(shí)踐證明，IGBT的短路電流與柵壓有密切的關(guān)系，柵壓越高，短路時的電流就越大[2]。為避免關(guān)斷IGBT時Ldi/dt過大而形成過壓，導(dǎo)致IGBT失控或過壓損壞，采用降柵壓(這里Vdrop=5 V)的軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)，以減小故障電流的幅值，延長IGBT承受短路電流的時間，通過9腳可以設(shè)置降柵壓的斜率。
4.4 延遲時間設(shè)定
初始柵壓開始降低到驅(qū)動器開始軟關(guān)斷IGBT之間的時間為延遲時間。在Tdelay時間內(nèi)，如果過流信號消失，則驅(qū)動器認(rèn)為這種過流不屬于真正的短路，無需中斷電源的正常工作，而恢復(fù)原來的驅(qū)動電平。如果過流信號仍存在，則將進(jìn)入軟關(guān)斷的進(jìn)程。在8腳與16腳間接一個電容Cdelay，可以設(shè)定延遲判斷時間Tdelay。
4.5 軟關(guān)斷時間設(shè)定
驅(qū)動脈沖電壓從開始軟關(guān)斷降至到0電平的時間為軟關(guān)斷時間。在11腳與16腳間接一個電容Csoft，可加大軟關(guān)斷時間。軟關(guān)斷開始后，驅(qū)動器封鎖輸入PWM信號，即使PWM信號變成低電平，也不會立即將輸出拉到正常的負(fù)電平，而要將軟關(guān)斷過程進(jìn)行到底，以確保IGBT可靠關(guān)斷。
5 柵極電阻Rg的選取
5.1 柵極電阻作用
選擇適當(dāng)?shù)臇艠O電阻對IGBT的驅(qū)動至關(guān)重要，柵極電阻大，開通速度慢，開關(guān)損耗大；柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗小，但過小的柵極電阻會引起柵極震蕩，且驅(qū)動速度過快也將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，因此必須統(tǒng)籌兼顧兩者的關(guān)系。5.2節(jié)給出了柵極電阻的大致適用范圍，可結(jié)合所選IGBT與表2及實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行選擇。
5.2 柵極電阻及驅(qū)動功率要求
各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會有很大的差異。初試可按表2進(jìn)行選取[3]。
6 KA101的典型應(yīng)用連接與實(shí)測波形
6.1 KA101的典型應(yīng)用連接
圖4給出TX-KA101的典型應(yīng)用連接。
下面對驅(qū)動電路的正常驅(qū)動和當(dāng)出現(xiàn)過流時是否進(jìn)行降柵壓、軟關(guān)斷保護(hù)以及當(dāng)有外來過流信號時是否執(zhí)行軟關(guān)斷封鎖脈沖等性能進(jìn)行實(shí)驗。圖5為實(shí)驗結(jié)果，其中圖5(a)是86 kHz正常驅(qū)動輸出情況，輸出上升延遲為200 ns，下降延遲600 ns，上升、下降沿陡峭；圖5(b)是25 kHz時降柵壓、軟關(guān)斷信號封鎖波形。改變Csoft的值可以改變軟關(guān)斷的斜率時間。
從圖5(a)~圖5(c)可以看出，TX-KA101在正常時能可靠驅(qū)動IGBT，在發(fā)生過流時也能很好地保護(hù)IGBT不被損壞，是一款性能良好的驅(qū)動芯片。
6.2 KA101在中頻感應(yīng)加熱應(yīng)用中的部分實(shí)測波形
逆變主電路采用全橋串聯(lián)諧振形式, 三相AC 380 V輸入，輸出功率60 kW，諧振頻率22 kHz。其KA101的驅(qū)動應(yīng)用連接電路如圖6所示(Q1、Q2用英飛凌IGBT-FF300R12KS4)。
全橋連接可在半橋連接的基礎(chǔ)上再增加2個KA101進(jìn)行驅(qū)動，其驅(qū)動電路圖同圖6。
圖7~圖10為10~60 kW時IGBT柵極驅(qū)動電壓及負(fù)載電流波形，圖7、圖8為KA101在某一鋼鐵企業(yè)中的實(shí)測波形(半橋)，圖9、圖10為KA101在某礦山企業(yè)的實(shí)測波形(全橋)?？梢钥闯鲭妷?、電流大致都保持反相位，系統(tǒng)可得到最大的功率輸出，且電流波形近似為規(guī)則的正弦波。由于切換頻率己經(jīng)很接近諧振頻率，開關(guān)器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)諧振開關(guān)狀態(tài)，即IGBT的開通發(fā)生在零電壓狀態(tài)，關(guān)斷發(fā)生在零電流狀態(tài)。在這種情況下，可以看出TX-KA101單管驅(qū)動芯片能很好地驅(qū)動IGBT，且發(fā)熱量小，在過流時也能很好地保護(hù)IGBT不被損壞。
本文設(shè)計出一種適合感應(yīng)加熱電源的IGBT驅(qū)動與保護(hù)電路，其核心芯片TX-KA101具有輸出20 A的峰值電流和最大輸出電荷20 ?滋C的驅(qū)動能力，驅(qū)動能力強(qiáng)，能夠?qū)Υ蠊β蔍GBT模塊進(jìn)行驅(qū)動。它具備三段式過流保護(hù)功能，滿足感應(yīng)加熱電源對IGBT的驅(qū)動與保護(hù)要求。同時它具有延遲時間小、工作頻率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作效率高、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)，其IGBT的開通和關(guān)斷時間可分別控制，驅(qū)動效果顯著，可以經(jīng)受工業(yè)環(huán)境中嚴(yán)格的考驗，用戶可根據(jù)自身要求調(diào)節(jié)保護(hù)閾值、盲區(qū)、關(guān)斷時間等參數(shù)，外圍電路簡單易用，使產(chǎn)品的適用性得到極大提高。
參考文獻(xiàn)
[1] 周志敏，紀(jì)愛華.高效功率器件驅(qū)動與保護(hù)電路設(shè)計及運(yùn)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2009.
[2] 蔡兵，王培元.大功率IGBT驅(qū)動過流保護(hù)電路研究[J]. 襄樊學(xué)院學(xué)報，2005，26(5)：60-62.
[3] 北京落木源電子技術(shù)有限公司. TX-KA101 IGBT驅(qū)動芯片說明書[Z].2008.