基于IR22141的IGBT驅動及保護電路設計

【摘要】IGBT的驅動電路是應用IGBT開關管的關鍵技術，一個性能好的驅動電路不僅能夠有效地驅動IGBT，而且能夠可靠地保護IGBT。本文介紹了一種基于IR22141芯片的大功率IGBT驅動及保護電路的設計以及運用。

【關鍵詞】IGBT；驅動電路，過流保護電路；IR22141芯片

前言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一種由雙晶體管組成的器件，既具有柵極電壓控制快速開關特性，又具有雙極晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點。但是IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路電流能力等參數(shù)，決定了IGBT的靜態(tài)與動態(tài)特性。因此在使用IGBT時，最重要的工作就是設計好驅動和保護電路。

本文將從IR22141芯片簡介、門極電路設計以及有源鉗位設計三個方面來敘述。

1.IR22141芯片簡介

IR22141是適合于單向器半橋柵極驅動，高柵極驅動能力（2A源，3A接收器）和低靜態(tài)電流使自舉電源在中等功率系統(tǒng)的功率開關應用技術。該IR22141具有通過功率晶體管飽和檢測手段全面的短路保護。該IR22141通過關閉順利通過專用的軟關斷引腳的去飽和晶體管，因此防止過電壓年齡和減少電磁排放管理所有半橋故障。在多相體系IR22141驅動程序使用一個專用的本地網(wǎng)絡（SY_FLT和故障/SD信號）妥善管理相-相短路溝通。系統(tǒng)控制器可以強制關閉或通過3.3 V兼容CMOS的I/O引腳（故障/SD）讀取設備故障狀態(tài)。為了提高從直流母線噪聲信號免疫力，控制和電源地使用專用引腳實現(xiàn)低側發(fā)射極電流檢測以及。欠壓條件下浮動，低壓電路獨立管理。圖1為利用IR22141芯片驅動IGBT模塊的典型電路連接圖。

2.門極電路設計

IGBT門極（G極）驅動電阻器、電容器等應該盡量靠近模塊引線端子放置。IGBT模塊關斷過壓較小，G極驅動電阻無需遠大于規(guī)格書給定值。如果IGBT開通、關斷使用不同阻值的電阻，可以用二極管（最好是肖特基二極管）隔開（如圖2所示）。該二極管還有助于加速負載短路時VCE 的退飽和，從而安全地關斷IGBT。由于IGBT模塊一般采用螺栓式引線端子，為減小電路的寄生電容和電感，驅動電路板常被直接安裝在模塊上，所以溫度因素不可忽略，我們就要盡可能選用溫漂系數(shù)小的器件，比如G極驅動電容最好選用Ⅰ類介質獨石電容器，這樣可以保證工作時功率器件開關性能的穩(wěn)定。

3.有源箝位設計

IGBT工作期間難免遭受瞬時C、E之間的過電壓，特別是在器件發(fā)生短路繼而關斷的時候，因此需要一個吸收電路，比較常見的做法是在母線端加吸收電容或使用TVS作有源箝位。這里主要介紹利用TVS進行有源箝位，如圖3中圈出部分。TVS是在穩(wěn)壓管工藝基礎上發(fā)展起來的一種產(chǎn)品，在規(guī)定的反向應用條件下承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過。TVS能承受的瞬時脈沖功率可達上千瓦，其箝位響應時間為ps級。

4.結語

本文從對IR22141芯片的簡介入手，大致了解了IR22141芯片的功能和特點。又分別介紹了門極電路設計和有源箝位設計的工作原理。設計的基于IR22141的大功率IGBT驅動電路可以實現(xiàn)大功率的IGBT驅動，同時從整體上來看擁有保護電路的能力，使得IGBT的應用更加完善與安全。實驗結果證明了這種方案的合理性與有效性。

參考文獻

[1]鄭姿清.3.3kV IGBT模塊驅動設計分析（英飛凌科技中國有限公司，上海：2012，03.

[2]史平君——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的驅動與保護[J].火控雷達技術，1996（3）：15-18.

[3]尹海.IGBT驅動電路性能分析[J].電力電子技術，1998（2）：21-33.

[4]陳建業(yè).電子電力電路的計算機仿真[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5]王秀利，潘燕，馮江華，等.網(wǎng)測變流器系統(tǒng)建模及半實物仿真實現(xiàn)[J].機車電傳動，2005（5）：8-11.

作者簡介：

方昱琨（1992—），男，山東煙臺人，大學本科，研究方向：電子信息通信。

曾衛(wèi)華（1978—），男，江西人，博士研究生，研究方向：地球物理儀器。

李佳澳（1992—），女，遼寧沈陽人，大學本科，研究方向：嵌入式編程。

余明典（1993—），女，四川巴中人，大學本科，研究方向：單片機開發(fā)研究。

李雙村，男，陜西榆林人，大學本科，研究方向：光電子線路。