一種適合中頻感應加熱電源的IGBT驅動技術

范立榮，張凱強

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519070）

感應加熱電源已經在工業中得到了廣泛的應用，其中功率半導體器件及其控制技術的發展是影響大功率感應加熱電源應用水平的重要因素。目前以IGBT器件為代表的功率半導體器件采用電壓型驅動，具有驅動功率小、開關速度快、飽和壓降低以及可耐高壓、大電流等一系列優點[1],被廣泛運用在感應加熱電源中。

在IGBT的具體應用中，對于不同的頻率、功率等級和不同的電路拓撲結構,其驅動和保護電路各不相同。因此需要應用工程師考慮方方面面的問題。針對IGBT構成的單相橋式串聯諧振逆變器的感應加熱電源,本文提出一種采用北京落木源電子技術有限公司生產的IGBT專用驅動芯片TX-KA101作為核心器件，附加簡單的外圍和檢測電路構成的IGBT驅動電路,很好地解決了以上幾個方面的問題。它具有驅動能力強、延時小、工作頻率高的優點，在短路過流保護方面，采用優于行業其他產品的三段式過流軟關斷技術，能有效降低IGBT損壞的風險。同時可根據用戶需求調節保護閾值、盲區、軟關斷時間等參數，使產品的適用性得到極大的提高。

1 KA101驅動構成及工作原理

1.1 KA101主要特點

TX-KA101是北京落木源電子技術有限公司生產的專用于IGBT驅動的單管大功率集成芯片，它具有驅動延遲時間小(小于 0.6 μs)、工作頻率高(可達 80 kHz)的特點，驅動輸出正電壓+14.5 V,負電壓-8.5 V，保證可靠的關斷且避免了干擾。此外，它還具有工作效率高、發熱量小、外圍電路簡單、保護參數齊全、使用方便等優點。

1.2 驅動電路原理

圖1是TX-KA101的原理框圖，PWM信號經高速光耦HCPL-0453隔離、放大，再到輸出驅動IGBT。當IGBT集射極電壓超過用戶設定閾值時，檢測過流端(7腳)就會檢測到，從而啟動內部的保護機制：先是有一段盲區(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，若是真過流則進行軟關斷一直到可靠關斷的負電平(大約-3 V)，否則恢復正常PWM波。

圖1 TX-KA101原理框圖

2 輸入信號的處理

驅動器信號輸入接口如圖2所示。其中，1、2腳為PWM信號輸入,它采用雙端輸入，R1控制輸入具有10 mA以上的驅動能力。 具體計算公式為R1=(Vpwm－Vim)/Ipwm＝(Vim－1.5)/10 mA，Vpwm為輸入 PWM 信號峰值，Vim為驅動器輸入內部壓降，取為1.5 V。C1為加速電容，可取為470 pF。

圖2 PWM信號輸入接口

3 供電電源要求及選取

供電電源要求如表1所示。

表1 驅動器供電電源參數

4 IGBT過流保護電路的設計及參數的選擇

驅動器保護信號接口如圖3所示。

4.1 過流閾值設定及調試

圖3 驅動器保護信號連接圖

觸發過流保護動作時的7腳對16腳的電壓為過流閾值。當7腳對16腳(即 IGBT的集射極)的電位升高到7.5 V時啟動內部的保護機制，在6腳與16腳間接一個電阻Rn可以根據需要調節過流保護的閾值。

4.2 盲區時間設定

檢測到IGBT集電極的電位高于保護動作閾值后到開始降柵壓的時間為盲區時間。因為各種尖峰干擾的存在，為避免頻繁的保護影響驅動芯片的正常工作，設立盲區是很有必要的。在5腳與12腳間接一個電容Cblind可以調大盲區的時間。

4.3 預降柵壓

實踐證明，IGBT的短路電流與柵壓有密切的關系，柵壓越高，短路時的電流就越大[2]。為避免關斷IGBT時Ldi/dt過大而形成過壓，導致IGBT失控或過壓損壞，采用降柵壓(這里Vdrop=5 V)的軟關斷綜合保護技術，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腳可以設置降柵壓的斜率。

4.4 延遲時間設定

初始柵壓開始降低到驅動器開始軟關斷IGBT之間的時間為延遲時間。在Tdelay時間內，如果過流信號消失，則驅動器認為這種過流不屬于真正的短路，無需中斷電源的正常工作，而恢復原來的驅動電平。如果過流信號仍存在，則將進入軟關斷的進程。在8腳與16腳間接一個電容Cdelay，可以設定延遲判斷時間Tdelay。

4.5 軟關斷時間設定

驅動脈沖電壓從開始軟關斷降至到0電平的時間為軟關斷時間。在11腳與16腳間接一個電容Csoft，可加大軟關斷時間。軟關斷開始后，驅動器封鎖輸入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電平，而要將軟關斷過程進行到底，以確保IGBT可靠關斷。

5 柵極電阻Rg的選取

5.1 柵極電阻作用

選擇適當的柵極電阻對IGBT的驅動至關重要，柵極電阻大，開通速度慢，開關損耗大；柵極電阻小，開關器件通斷快，開關損耗小，但過小的柵極電阻會引起柵極震蕩，且驅動速度過快也將使開關器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產生較大的干擾，因此必須統籌兼顧兩者的關系。5.2節給出了柵極電阻的大致適用范圍，可結合所選IGBT與表2及實際測試結果進行選擇。

表2 柵極電阻初選表

5.2 柵極電阻及驅動功率要求

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進行選取[3]。

6 KA101的典型應用連接與實測波形

6.1 KA101的典型應用連接

圖4給出TX-KA101的典型應用連接。

圖4 TX-KA101應用連接圖

下面對驅動電路的正常驅動和當出現過流時是否進行降柵壓、軟關斷保護以及當有外來過流信號時是否執行軟關斷封鎖脈沖等性能進行實驗。圖5為實驗結果，其中圖5(a)是 86 kHz正常驅動輸出情況，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、軟關斷信號封鎖波形。改變Csoft的值可以改變軟關斷的斜率時間。

圖5 實驗結果

從圖 5(a)～圖 5(c)可以看出，TX-KA101在正常時能可靠驅動IGBT，在發生過流時也能很好地保護IGBT不被損壞，是一款性能良好的驅動芯片。

6.2 KA101在中頻感應加熱應用中的部分實測波形

逆變主電路采用全橋串聯諧振形式,三相AC 380 V輸入，輸出功率60 kW，諧振頻率22 kHz。其KA101的驅動應用連接電路如圖6所示 (Q1、Q2用英飛凌 IGBTFF300R12KS4)。

圖6 KA101驅動半橋時的應用連接圖

全橋連接可在半橋連接的基礎上再增加2個KA101進行驅動，其驅動電路圖同圖6。

圖7 10 kW時經TX-KA101驅動后IGBT

圖8 10 kW時經TX-KA101驅動后負載電流波形

圖9 60 kW時經TX-KA101驅動后柵極驅動電壓波形

圖7～圖10為 10～60 kW 時 IGBT柵極驅動電壓及負載電流波形，圖7、圖8為 KA101在某一鋼鐵企業中的實測波形(半橋)，圖 9、圖 10為 KA101在某礦山企業的實測波形(全橋)。可以看出電壓、電流大致都保持反相位，系統可得到最大的功率輸出，且電流波形近似為規則的正弦波。由于切換頻率己經很接近諧振頻率，開關器件的狀態轉換為準諧振開關狀態，即IGBT的開通發生在零電壓狀態，關斷發生在零電流狀態。在這種情況下，可以看出TX-KA101單管驅動芯片能很好地驅動IGBT，且發熱量小，在過流時也能很好地保護IGBT不被損壞。

圖10 60 kW時經TX-KA101驅動后驅動電壓及負載電流波動

本文設計出一種適合感應加熱電源的IGBT驅動與保護電路，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 μC的驅動能力，驅動能力強，能夠對大功率IGBT模塊進行驅動。它具備三段式過流保護功能，滿足感應加熱電源對IGBT的驅動與保護要求。同時它具有延遲時間小、工作頻率高、結構緊湊、工作效率高、發熱量小等優點，其IGBT的開通和關斷時間可分別控制，驅動效果顯著，可以經受工業環境中嚴格的考驗，用戶可根據自身要求調節保護閾值、盲區、關斷時間等參數，外圍電路簡單易用，使產品的適用性得到極大提高。

[1]周志敏，紀愛華.高效功率器件驅動與保護電路設計及運用實例[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]蔡兵，王培元.大功率IGBT驅動過流保護電路研究[J].襄樊學院學報，2005，26(5)：60-62.

[3]北京落木源電子技術有限公司.TX-KA101 IGBT驅動芯片說明書[Z].2008.