Aplicação do dispositivo eletrônico de energia IGBT
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IGBTs são amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos de potência representados por inversores e vários tipos de fontes de alimentação. O IGBT combina as vantagens dos transistores de potência bipolar e MOSFETs de potência, e tem as vantagens de controle de tensão, grande impedância de entrada, pequena potência de acionamento, circuito de controle simples, pequena perda de comutação, velocidade de comutação rápida e alta freqüência de operação.
No entanto, os IGBTs, assim como outros eletrônicos de potência, dependem das condições do circuito e dos ambientes de comutação. Portanto, o circuito de condução e proteção do IGBT é a dificuldade e o foco do projeto do circuito, e é o elo-chave de toda a operação do dispositivo.
1 características operacionais do IGBT
O IGBT é um dispositivo de controle do tipo voltagem que requer muito pouca corrente de acionamento e potência de acionamento e pode ser conectado diretamente a um bloco de funções analógicas ou digitais sem qualquer circuito de interface adicional. A ativação e desativação do IGBT é controlada pela tensão de gate UGE. Quando o UGE é maior que a voltagem UGE (th), o IGBT é ligado. Quando um sinal reverso ou nenhum sinal é aplicado entre o gate e o emissor, o IGBT é desligado. Quebrado.
Como o transistor comum, o IGBT pode trabalhar na região de amplificação linear, região de saturação e região de corte, e é usado principalmente como um dispositivo de comutação. No circuito de acionamento, os estados on e off de saturação do IGBT são principalmente estudados, de modo que a borda de subida de partida e a borda de descida de virada são íngremes.
2 requisitos do circuito de transmissão IGBT
Os seguintes pontos devem ser observados ao projetar um driver IGBT.
1) A magnitude da tensão de acionamento do gate terá um impacto importante no desempenho do circuito e deve ser escolhida corretamente. Quando a tensão do inversor para diante aumenta, a resistência on-on do IGBT é reduzida, de modo que a perda de ativação é reduzida. No entanto, se a tensão do inversor for muito grande, o IC da corrente de curto-circuito aumenta com o UGE quando a carga é curto-circuitada, o que pode fazer com que o IGBT tenha um efeito de retenção, resultando em falha do gate. Como resultado, o IGBT está danificado; se a tensão de acionamento para frente for muito pequena, o IGBT sai da região de condução de saturação e entra na região de amplificação linear, causando o superaquecimento e dano do IGBT; em uso, 12V ≤ UGE ≤ 18V é preferido. A tensão de polarização negativa do gate impede que o IGBT seja mal conduzido devido à corrente de surto excessiva durante o desligamento. Geralmente, uma tensão de polarização negativa é selecionada para ser 5V. Além disso, o circuito de condução deve fornecer tensão e amplitude de corrente suficientes após o IGBT ser ligado, de modo que o IGBT não saia da região de condução de saturação e seja danificado em condições normais de trabalho e sobrecarga.
2) A rápida ativação e desativação do IGBT é benéfica para aumentar a frequência de operação e reduzir a perda de comutação. No entanto, a freqüência de comutação do IGBT não deve ser muito grande sob grandes cargas indutivas, pois a ativação e desativação de alta velocidade resultará em alta voltagem de pico, o que pode causar a quebra de IGBT ou outros componentes.
3) A escolha de um resistor de série de gate adequado RG e capacitância de gate CG é importante para a condução do IGBT. O RG é pequeno, a constante de tempo de carga e descarga entre os emissores de gate é relativamente pequena, o que causará uma grande corrente na ativação, o que danificará o IGBT; O RG é maior, o que é benéfico para suprimir o dvce / dt, mas aumentará o tempo de comutação e a perda de comutação do IGBT. . O CG apropriado é bom para suprimir dic / dt, o CG é muito grande e o tempo de ativação é atrasado. Se CG for muito pequeno, o efeito de suprimir dic / dt não é óbvio.
4) Quando o IGBT está desligado, a tensão do emissor-porta é facilmente perturbada pelos parâmetros parasitas do IGBT e do circuito, fazendo com que a tensão do emissor-porta faça com que o dispositivo seja mal-condutivo. Para evitar que isso aconteça, um resistor pode ser conectado em paralelo entre os portões. Além disso, em aplicações práticas, para evitar picos de alta tensão no circuito de acionamento da porta, é preferível conectar dois diodos Zener de série reversa em paralelo entre as grades, e o valor de regulação de tensão deve ser o mesmo que o positivo e negativo tensões de porta.
3 circuito de acionamento HCPL-316J
3.1 HCPL-316J estrutura interna e princípio de funcionamento
Se o IGBT tiver um sinal de sobrecorrente (o pino 14 detecta a tensão no coletor IGBT = 7V), e o sinal do inversor continua a ser aplicado ao pino 1, o sinal de subtensão é baixo e a saída B é baixa, o terceiro -level Darlington O tubo está desligado, 1 × DMOS está ligado e a tensão entre os portões IGBT é diminuída lentamente para alcançar uma queda lenta da porta. Quando VOUT = 2V, ou seja, VOUT produz um nível baixo, o ponto C se torna um nível baixo, o ponto B é um nível alto, 50 × DMOS é ligado e o gate array IGBT é rapidamente descarregado. O sinal na linha de falta passa através do optoacoplador e, em seguida, passa pelo flip-flop RS, e a saída Q é alta, de forma que o acoplador óptico de entrada seja bloqueado. Da mesma forma, é possível analisar a situação de apenas subtensão e a situação de subtensão e sobrecorrente.
Projeto do circuito de movimentação 3.2
O VIN +, FAULT e RESET no lado esquerdo do HCPL-316J estão conectados ao microcomputador respectivamente. R7, R8, R9, D5, D6 e C12 fornecem proteção de entrada para evitar que a tensão de entrada excessiva danifique o IGBT, mas o circuito de proteção gerará um atraso de aproximadamente 1μs, que não é adequado para uso quando a freqüência de comutação exceder 100kHz. Q3 é a função de intertravamento mais importante. Quando ambos os sinais PWM (mesmo braço da ponte) estiverem em nível alto, o Q3 é ligado, puxando o nível de entrada para baixo, de modo que a saída também seja baixa. Os sinais de intertravamento Interlock e Interlock2 na Figura 3 são conectados a outro 316J Interlock2 e Interlock1, respectivamente. R1 e C2 desempenham um papel na amplificação e filtragem do sinal de falha. Quando há um sinal de interferência, o microcomputador pode aceitar corretamente a informação.
Na saída, R5 e C7 estão relacionados à velocidade na qual o IGBT está ligado e à perda de comutação. Aumentar C7 pode reduzir significativamente dic / dt. Primeiro calcule a resistência do gate: onde ION é a corrente de entrada injetada no IGBT quando ligada. Para que o IGBT seja ligado rapidamente, o valor IONMAX é 20A. Saída de baixo nível VOL = 2v.
C3 é um parâmetro muito importante, o mais importante é o atraso de carregamento. Quando o sistema inicializa e o chip começa a funcionar, uma vez que a tensão no terminal C do coletor do IGBT ainda é muito maior que 7V, se não houver C3, o sinal de falha de curto-circuito será erroneamente emitido e a saída será desligado diretamente. Quando o chip está funcionando normalmente, se a tensão do coletor aumentar instantaneamente, ele retornará ao normal imediatamente. Se não houver C3, um sinal de erro será emitido para fazer o IGBT desligar por engano. No entanto, se o valor de C3 for muito grande, a resposta do sistema será lenta e, no caso de saturação, o IGBT poderá ser queimado dentro do tempo de atraso e o efeito de proteção correto não será obtido. O valor de C3 é 100pF e o atraso é o tempo
No circuito de detecção do coletor, dois diodos são conectados em série, o que pode melhorar a tensão suportável reversa geral, aumentando assim o nível de tensão de acionamento, mas o tempo de recuperação reversa do diodo é pequeno, e cada voltagem reversível é de 1000V. Geralmente, BYV261E é selecionado e o tempo de recuperação reversa é de 75 ns. O papel de R4 e C5 é preservar as características de desligamento suave do HCLP-316J após um sinal de sobrecorrente. O princípio é que o C5 consegue um desligamento suave através da descarga do MOSFET interno. Na Figura 3, a tensão de saída VOUT passa por duas saídas push-pull de triodo rápido, que podem acionar a corrente até 20A, e podem conduzir rapidamente IGBTs de 1700v, 200-300A.
Projeto da fonte de alimentaço da movimentaço 3.3
No projeto da unidade, uma fonte de alimentação estável é uma garantia de que o IGBT funcione corretamente. A fonte de alimentação adota conversão direta, capacidade anti-interferência forte, nenhum indutor de filtro no lado secundário e baixa impedância de entrada, de modo que a tensão de saída da fonte de alimentação ainda é estável sob condições de carga pesada.
Quando s está ligado, a tensão + 12v (para uma fonte de alimentação relativamente estável, alta precisão) é aplicada ao lado primário do transformador e o enrolamento é conectado a S, e o lado secundário é retificado através do acoplamento de energia. Quando S é desligado, a energia do núcleo é realimentada de volta para a fonte de alimentação através do diodo primário e seu enrolamento conectado para atingir o reset do núcleo do transformador. O temporizador 555 é conectado a um multivibrador. O potencial do pé 2 e do pé 6 é alterado entre 4 e 8 v carregando e descarregando C1, de modo que o pé 3 emite um sinal de onda quadrada de tensão, e o sinal de onda quadrada é usado para controlar a abertura do S. E desligando. + 12v cobra de C1 a R1 e D2, seu tempo de carregamento é t1≈R1C2ln2; tempo de descarga t2 = R2C1ln2, produz alto nível durante o carregamento e produz baixo nível ao descarregar. Portanto, a razão de serviço = t1 / (t1 + t2).
O transformador é projetado de acordo com os seguintes parâmetros: o lado original é conectado a + 12v, a freqüência é 60kHz e a intensidade de indução magnética de trabalho Bw é O. 15T, lado secundário + saída 15v 2A, saída -5v 1 A, eficiência n = 80%, o fator de preenchimento de janela Km é O. 5. O fator de preenchimento do núcleo Kc é 1, e a densidade de corrente do fio da bobina d é 3 A / mm2. Potência de saída
PT = (15 + O.6) × 2 × 2 + (5 + O.6) × 1 × 2 = 64W.
Como a tensão de saída da fonte de alimentação de acionamento diminuirá após o carregamento, considere o aumento da frequência e do ciclo de serviço para estabilizar a tensão de saída em aplicações práticas.
4. Conclusão
Este papel projeta um circuito de condução que pode conduzir 1400V, 200 ~ 300A IGBT. O intertravamento dos dois IGBTs (o mesmo braço de ponte) é realizado no hardware, e uma fonte de alimentação de acionamento capaz de fornecer energia diretamente aos dois IGBTs é projetada.
O HCPL-316J pode ser dividido em duas partes: entrada IC (esquerda) e saída IC (direita). A entrada e saída podem satisfazer plenamente os requisitos de alta tensão e alta potência do drive IGBT.
A função de cada pino é a seguinte:
Pino 1 (VIN +) entrada do sinal para frente;
Pino 2 (VIN-) entrada de sinal reverso;
O pino 3 (VCG1) é conectado à fonte de alimentação de entrada;
O terra da entrada do pino 4 (GND);
Entrada de reset de chip do Pé 5 (RESERT);
Saída de falha do Pé 6 (FALHA), quando ocorre uma falha (subtensão de tensão de saída de saída ou curto-circuito IGBT), o sinal de falha é emitido através do optoacoplador;
Pin 7 (VLED1 +) pino de teste de optoacoplador, suspensão;
O pino 8 (VLED1-) está aterrado;
O pino 9, pé 10 (VEE) fornece uma tensão de polarização reversa ao IGBT;
O pino 11 (VOUT) emite um sinal de acionamento para acionar o IGBT;
Fonte de alimentação para coletor de tubo Darlington de três estágios de pé 12 (VC);
O pino 13 (VCC2) aciona a fonte de tensão;
Pino 14 (DESAT) IGBT detecção de corrente de curto-circuito;
Pin 15 (VLED2 +) pino de teste de optoacoplador, suspensão;
O pé 16 (VE) produz um campo de referência.
Se VIN + é normalmente introduzido, o pino 14 não tem sinal de sobrecorrente e VCC2-VE = 12v significa que a tensão do inversor de saída está normal, o sinal do inversor emite um nível alto e o sinal de falha e o nível baixo da saída do sinal de subtensão. Primeiro, os três sinais são introduzidos em JP3, D é baixo, B é baixo e 50 × DMOS está desligado. Neste momento, os quatro estados da entrada de JP1 são baixos, altos, baixos e baixos de cima para baixo, e o ponto alto do ponto A aciona o tubo Darlington de três estágios para ser ligado, e o IGBT também é ligadas.