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IGBT驱动芯片IXDN404应用及改进

导读: 绝缘栅晶体管IGBT是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件,并以其综合性能优势在开关电源、UPS、逆变器、变频器、交流伺服系统、DC/DC变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。

  0 引言

 

  绝缘栅晶体管IGBT是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件,并以其综合性能优势在开关电源、UPS、逆变器、变频器、交流伺服系统、DC/DC变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。然而,在其使用过程中,发现了不少影响其应用的问题,其中之一就是IGBT的门极驱动与保护。目前国内使用较多的有富士公司生产的EXB系列,三菱公司生产的M579系列,MOTOROLA公司生产的MC33153等驱动电路。这些驱动电路各有特点,均可实现IGBT的驱动与保护,但也有其应用限制,例如:驱动功率低,延迟时间长,保护电路不完善,应用频率限制等。本文,以IXYS公司生产的IGBT驱动芯片IXDN404为基础,介绍了其特性和参数,设计了实际驱动与保护电路,经过实验验证,可满足IGBT的实际驱动和过流及短路时实施慢关断策略的保护要求。

 

  1 IXDN404驱动芯片简介

 

  IXDN404为IXYS公司生产的高速CMOS电平IGBT/MOSFET驱动器,其特性如下:

  高输出峰值电流可达到4A;

  工作电压范围4.5V~25V;

  驱动电容1800pF<15ns;

  低传输延迟时间;

  上升与下降时间匹配;

  输出高阻抗;

  输入电流低;

  每片含有两路驱动;

  输入可为TTL或CMOS电平。

  其电路原理图如图1所示,主要电气参数如表1所列。

 

  

  图1 IXDN404电路原理图

  表1 IXDN404主要电气参数

  

 

  2 驱动芯片应用与改进

 

  图2为IXDN404组成的IGBT实用驱动与保护电路,该电路可驱动1200V/100A的IGBT,驱动电路信号延迟时间不超过150ns,所以开关频率图2由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路图1IXDN404电路原理图可以高达100kHz。可应用于DSP控制的高频开关电源、逆变器、变频器等功率电路中。根据IXYS公司的使用手册,IXDN404仅能提供0~+Vcc的驱动脉冲。我们在此基础上,增加5.1V稳压二极管Z3以实现-5V偏置电压;由稳压管电压为光耦6N137和反相器CD4069供电,节省了一路驱动电源;增加降栅压及慢关断保护电路,实现IGBT的保护功能;降栅压及慢关断电路是通过控制IXDN404供电电压Vcc来实现的,明显不同于其它保护电路的前级降压控制方式。下面介绍其工作原理。

 

  

  图2 由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路

 

  2.1 正常开通过程

  当控制信号为高电平时,快速光耦6N137导通,经过一级反相,输入IXDN404,输出+15V脉冲,IGBT正常导通。同时,由于光耦输出为反相,V4截止,V5导通,C1由电源充电,C1电压不会超过9V,这是因为IGBT正常导通时Vces不高于3V,二极管D2导通,A点电位箝位在8V,加上电阻R10的压降,C点电位接近9V。Z1截止,V2截止,V1导通,B点电位接近20V;Z2截止,V3截止,D点电位接近B点电位。C1充电时间常数τ1=R9×C1=2.42μs,C1充电到9V的时间为

  t1=τ1ln=1.45μs(1)

  2.2 正常关断过程

  当控制信号为低电平,光耦输出高电平,反相输出低电平,由于Z3箝位IXDN404输出脉冲为-5V,IGBT正常关断。这时,V4导通,V5截止,C点电位保持在9V;Z1截止,V2截止,V1导通,B点电位接近20V;Z2截止,V3截止,D点电位接近B点电位。

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