Aplicación del dispositivo electrónico de potencia IGBT.
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Los IGBT se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos de potencia representados por inversores y varios tipos de fuentes de alimentación. El IGBT combina las ventajas de los transistores de potencia bipolares y los MOSFET de potencia, y tiene las ventajas de control de voltaje, gran impedancia de entrada, pequeña potencia de conducción, circuito de control simple, pequeña pérdida de conmutación, alta velocidad de conmutación y alta frecuencia de operación.
Sin embargo, los IGBT, al igual que otros dispositivos electrónicos de potencia, dependen de las condiciones del circuito y los entornos de conmutación. Por lo tanto, el circuito de conducción y protección del IGBT es la dificultad y el enfoque del diseño del circuito, y es el enlace clave de toda la operación del dispositivo.
1 características de funcionamiento IGBT
El IGBT es un dispositivo de control de tipo de voltaje que requiere muy poca corriente de accionamiento y potencia de accionamiento y se puede conectar directamente a un bloque de funciones analógico o digital sin ningún circuito de interfaz adicional. El encendido y apagado del IGBT está controlado por la tensión de la puerta UGE. Cuando el UGE es mayor que el voltaje de encendido UGE (th), el IGBT se enciende. Cuando se aplica una señal inversa o ninguna entre la puerta y el emisor, el IGBT se apaga. Roto.
Como el transistor ordinario, el IGBT puede funcionar en la región de amplificación lineal, la región de saturación y la región de corte, y se utiliza principalmente como dispositivo de conmutación. En el circuito de excitación, los estados de saturación de encendido y apagado del IGBT se estudian principalmente, por lo que el flanco ascendente de encendido y el flanco descendente de apagado son pronunciados.
2 requisitos del circuito de accionamiento IGBT
Deben observarse los siguientes puntos al diseñar un controlador IGBT.
1) La magnitud de la tensión de la unidad de avance de la puerta tendrá un impacto importante en el rendimiento del circuito y se debe elegir correctamente. Cuando aumenta la tensión de avance, la resistencia de encendido del IGBT se reduce, por lo que se reduce la pérdida de encendido. Sin embargo, si el voltaje de avance es demasiado alto, el IC de corriente de cortocircuito aumenta con el UGE cuando la carga está cortocircuitada, lo que puede causar que el IGBT tenga un efecto de retención, lo que ocasiona una falla en la compuerta. Como resultado, el IGBT está dañado; si la tensión de conducción directa es demasiado pequeña, el IGBT sale de la región de conducción de saturación y entra en la región de amplificación lineal, lo que hace que el IGBT se sobrecaliente y dañe; en uso, se prefiere 12V ≤ UGE ≤ 18V. La tensión de polarización negativa de la compuerta evita que el IGBT se conduzca mal debido a una sobrecarga excesiva durante el apagado. En general, una tensión de polarización negativa se selecciona para que sea de 5V. Además, el circuito de activación debe proporcionar suficiente voltaje y amplitud de corriente después de que se encienda el IGBT, de modo que el IGBT no salga de la región de conducción de saturación y se dañe en condiciones normales de trabajo y sobrecarga.
2) El rápido encendido y apagado del IGBT es beneficioso para aumentar la frecuencia de operación y reducir la pérdida de conmutación. Sin embargo, la frecuencia de conmutación del IGBT no debe ser demasiado grande para grandes cargas inductivas, ya que el encendido y apagado a alta velocidad resultará en un alto voltaje pico, lo que puede causar que el IGBT u otros componentes se descompongan.
3) La elección de un resistor RG de serie de compuerta adecuado y la capacidad CG de la compuerta es importante para impulsar el IGBT. RG es pequeño, la constante de tiempo de carga-descarga entre los emisores de la puerta es relativamente pequeña, lo que causará una gran corriente en el encendido, lo que dañará el IGBT; RG es más grande, lo que es beneficioso para suprimir dvce / dt, pero aumentará el tiempo de conmutación y la pérdida de conmutación de IGBT. . El CG apropiado es bueno para suprimir dic / dt, el CG es demasiado grande y el tiempo de encendido se retrasa. Si CG es demasiado pequeño, el efecto de suprimir dic / dt no es obvio.
4) Cuando el IGBT está apagado, la tensión del emisor de la puerta se altera fácilmente por los parámetros parásitos del IGBT y el circuito, lo que hace que el voltaje del emisor de la puerta provoque que el dispositivo sea mal conductor. Para evitar que esto suceda, se puede conectar una resistencia en paralelo entre las puertas. Además, en aplicaciones prácticas, para evitar picos de alta tensión en el circuito de activación de la compuerta, es preferible conectar dos diodos Zener de serie inversa en paralelo entre las rejillas, y el valor de regulación de tensión debe ser el mismo que el positivo y el negativo. voltajes de compuerta.
3 HCPL-316J circuito de accionamiento
3.1 HCPL-316J estructura interna y principio de funcionamiento
Si el IGBT tiene una señal de sobrecorriente (el pin 14 detecta el voltaje en el colector IGBT = 7V), y la señal de entrada de entrada continúa aplicándose al pin 1, la señal de bajo voltaje es baja y la salida B es baja, el tercero Nivel Darlington El tubo se apaga, se enciende 1 × DMOS y la tensión entre las compuertas IGBT se reduce lentamente para lograr una caída lenta de la compuerta. Cuando VOUT = 2V, es decir, VOUT genera un nivel bajo, el punto C se convierte en un nivel bajo, el punto B es un nivel alto, 50 × DMOS está activado y la matriz de compuerta IGBT se descarga rápidamente. La señal en la línea de falla pasa a través del optoacoplador, y luego pasa a través del flip-flop RS, y la salida Q es alta, de modo que el optoacoplador de entrada está bloqueado. De la misma forma, es posible analizar la situación de solo subtensión y la situación de subtensión y sobrecorriente.
3.2 diseño del circuito de accionamiento
VIN +, FAULT y RESET en el lado izquierdo del HCPL-316J están conectados al microordenador, respectivamente. R7, R8, R9, D5, D6 y C12 proporcionan protección de entrada para evitar que una tensión de entrada excesiva dañe el IGBT, pero el circuito de protección generará un retraso de aproximadamente 1 μs, que no es adecuado para usar cuando la frecuencia de conmutación supera los 100 kHz. Q3 es la función de enclavamiento más importante. Cuando ambas señales PWM (el mismo brazo de puente) están en nivel alto, Q3 se enciende, lo que hace que el nivel de entrada sea bajo, de modo que la salida también sea baja. Las señales de interbloqueo Interlock, e Interlock2 en la Figura 3 están conectadas a otro 316J Interlock2 e Interlock1, respectivamente. R1 y C2 desempeñan un papel en la amplificación y el filtrado de la señal de falla. Cuando hay una señal de interferencia, el microordenador puede aceptar correctamente la información.
En la salida, R5 y C7 están relacionados con la velocidad a la que se enciende el IGBT y la pérdida de conmutación. El aumento de C7 puede reducir significativamente el dic / dt. Primero calcule la resistencia de la puerta: donde ION es la corriente de la puerta inyectada en el IGBT cuando se enciende. Para hacer que el IGBT se encienda rápidamente, el valor de IONMAX es 20A. Nivel de salida bajo VOL = 2v.
C3 es un parámetro muy importante, el más importante es el retraso de carga. Cuando el sistema se inicia y el chip comienza a funcionar, ya que el voltaje en el terminal C del colector del IGBT es aún mucho mayor que 7V, si no hay C3, la señal de falla de cortocircuito se emitirá erróneamente, y la salida se apagará directamente. Cuando el chip funciona normalmente, si la tensión del colector aumenta instantáneamente, volverá a la normalidad inmediatamente. Si no hay C3, se emitirá una señal de error para hacer que el IGBT se apague por error. Sin embargo, si el valor de C3 es demasiado grande, la respuesta del sistema será lenta y, en caso de saturación, el IGBT puede quemarse dentro del tiempo de retardo y no se obtiene el efecto de protección correcto. El valor de C3 es 100pF, y el retraso es el tiempo
En el circuito de detección del colector, dos diodos están conectados en serie, lo que puede mejorar la tensión de respaldo inversa general, lo que aumenta el nivel de voltaje de activación, pero el tiempo de recuperación inversa del diodo es pequeño, y cada nivel de voltaje de resistencia inverso es 1000V. En general, se selecciona BYV261E y el tiempo de recuperación inversa es de 75 ns. El rol de R4 y C5 es preservar las características de apagado suave del HCLP-316J después de una señal de sobrecorriente. El principio es que C5 logra un apagado suave a través de la descarga del MOSFET interno. En la Figura 3, el voltaje de salida VOUT pasa a través de dos salidas rápidas de empuje y tracción de triodo, que pueden conducir la corriente hasta 20A, y pueden conducir rápidamente 1700v, 200-300A IGBT.
Diseño de la fuente de alimentación de 3,3 impulsores
En el diseño del variador, una fuente de alimentación estable es una garantía para que el IGBT funcione correctamente. La fuente de alimentación adopta una conversión hacia adelante, una fuerte capacidad antiinterferente, sin inductor de filtro en el lado secundario y baja impedancia de entrada, de modo que la tensión de salida de la fuente de alimentación aún es estable en condiciones de carga pesada.
Cuando se enciende s, se aplica un voltaje de + 12v (para una fuente de alimentación relativamente estable, alta precisión) en el lado primario del transformador y el devanado conectado a S, y el lado secundario se rectifica a través del acoplamiento de energía. Cuando se apaga S, la energía del núcleo se devuelve a la fuente de alimentación a través del diodo primario y su devanado conectado para lograr el restablecimiento del núcleo del transformador. El temporizador 555 está conectado a un multivibrador. El potencial del pie 2 y el pie 6 se cambia entre 4 y 8 v cargando y descargando C1, de modo que el pie 3 emita una señal de onda cuadrada de voltaje, y la señal de onda cuadrada se usa para controlar la apertura del S. Y cerrando. + 12v carga C1 a R1 y D2, su tiempo de carga es t1≈R1C2ln2; el tiempo de descarga t2 = R2C1ln2, produce un nivel alto durante la carga y un nivel bajo cuando se descarga. Por lo tanto, la relación de trabajo = t1 / (t1 + t2).
El transformador está diseñado de acuerdo con los siguientes parámetros: el lado original está conectado a + 12v, la frecuencia es de 60 kHz y la intensidad de inducción magnética de trabajo Bw es O. 15T, lado secundario + 15v salida 2A, -5v salida 1 A, eficiencia n = 80%, el factor de llenado de la ventana Km es O. 5. El factor de llenado del núcleo Kc es 1, y la densidad de corriente del cable de la bobina d es 3 A / mm2. Potencia de salida
PT = (15 + O.6) × 2 × 2 + (5 + O.6) × 1 × 2 = 64W.
Dado que la tensión de salida de la fuente de alimentación de conducción disminuirá después de la carga, considere aumentar la frecuencia y el ciclo de trabajo para estabilizar la tensión de salida en aplicaciones prácticas.
4. Conclusión
Este papel diseña un circuito de conducción que puede conducir 1400V, 200 ~ 300A IGBT. El enclavamiento de los dos IGBT (el mismo brazo del puente) se realiza en el hardware, y se diseña una fuente de alimentación de conducción capaz de suministrar directamente energía a los dos IGBT.
HCPL-316J se puede dividir en dos partes: entrada IC (izquierda) y salida IC (derecha). La entrada y la salida pueden cumplir completamente los requisitos de alta tensión y alta potencia del controlador IGBT.
La función de cada pin es la siguiente:
Entrada de señal directa de pin 1 (VIN +);
Pin 2 (VIN-) entrada de señal inversa;
El pin 3 (VCG1) está conectado a la fuente de alimentación de entrada;
La tierra de la entrada del pin 4 (GND);
Entrada de reinicio del chip Foot 5 (RESERT);
Salida de falla del Pie 6 (FALLA), cuando se produce una falla (baja tensión de salida hacia adelante o cortocircuito IGBT), la señal de falla se envía a través del optoacoplador;
Pin 7 (VLED1 +) pin de prueba del optoacoplador, suspensión;
El pin 8 (VLED1-) está conectado a tierra;
Pin 9, foot 10 (VEE) proporciona una tensión de polarización inversa al IGBT;
El pin 11 (VOUT) emite una señal de unidad para conducir el IGBT;
Fuente de alimentación del colector de tubo Darlington de tres etapas del pie 12 (VC);
El pin 13 (VCC2) controla la fuente de voltaje;
Pin 14 (DESAT) IGBT detección de corriente de cortocircuito;
Pin 15 (VLED2 +) pin de prueba del optoacoplador, suspensión;
El pie 16 (VE) genera una tierra de referencia.
Si normalmente se ingresa VIN +, el pin 14 no tiene señal de sobrecorriente, y VCC2-VE = 12v significa que el voltaje de avance de la salida es normal, que la señal del variador emite un nivel alto y que la señal de falla y el nivel de salida de la señal de voltaje insuficiente. Primero, las tres señales se ingresan en JP3, D es bajo, B es bajo y 50 × DMOS está desactivado. En este momento, los cuatro estados de la entrada del JP1 son bajo, alto, bajo y bajo de arriba a abajo, y el punto más alto del punto A hace que se encienda el tubo Darlington de tres etapas, y el IGBT también está encendido