为什么围岩压力随坑道尺寸的增大而增大
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12第4章IGBT.ppt 214页
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12第4章IGBT剖析
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* ●延时搜索关断波形：插图8所示。
正常工作时，栅极驱动电压UGE为15V；
发生短路故障时，短路电流ISC急剧增加，UCE也随之增大，此刻及时将UGE降至10V左右，则短路电流显著减小；
在“延时搜索”结束时，故障仍存在，则将UGE降至0V，使故障切除。
插图8 利用降低UGE的方法使短路
电流ISC减小的工作波形示意图 UGE
UGE UCE t1 t2 * ● 延时搜索关断实例：试验证明，当50A的IGBT出现短路过电流故障时，在过电流开始瞬间，立即将栅压UGE由15V降至10V，可使过电流幅值由250A降至100A左右，其短路过电流承受时间由5μs延长至15μs。 ● 延时搜索关断电路：插图9所示。 ☆ 正常导通：IGBT饱和压降小于给定电压Uref，比较器输出低电平，MOS管VFl与VF2均截止，IGBT的栅极驱动电压不变。 插图9
IGBT短路保护驱动 电路功能示意图 UC UGE Uref +Ucc * ☆ 过电流故障时：
IGBT的集-射间电压UCE增大，当超过Uref时，比较器输出高电平，定时器启动；
与此同时，VF2开通，使IGBT的栅极电压降至VS的稳压值UZ。
如果在定时周期结束之前故障消失，比较器输出又返回低电平， VF2转回截止，恢复正常栅极电压，IGBT继续正常工作。 插图9
IGBT短路保护驱动 电路功能示意图 UC UGE Uref +Ucc
如果在定时周期终了时故障仍存在，则定时器输出高电位，VF1开通，IGBT的驱动电压被切除，迫使IGBT关断。
注意：只是示意图。应使保护电路只工作在IGBT导通期间。并且要考虑到IGBT的开通时间。IGBT的断态时间保护电路不能动作。
IGBT短路保护驱动 电路功能示意图 UC UGE Uref +Ucc * 7. 具有降栅压延时关断过电流保护功能的实用IGBT驱动电路 +20V +5V 过流后1.5μs开通 过流后10μs开通 * 其工作原理如下： 正常工作时，晶体管V1处于正偏压导通状态，控制电压VCC = V‘CC = +20V。当控制信号有效时，6N136快速光耦合器的输出信号为高电平，V3管导通，栅控电压UGE = +15V，IGBT快速导通。 开通过程中，由R6、C1组成的延时电路使V5保持截止状态，约经1.5μs后， IGBT已饱和导通，且导通压降UCE很低，通过VDF的钳位作用， VM只能为低电平，VS1、VS2截止，所以在IGBT正常工作时V5总是处于截止状态。 * 一旦过电流，UCE升高，这时VDF反向关断，阻止主回路高压窜入控制回路，于是VM随C1充电电压上升而增加。 降栅压：当过电流现象持续发生1.5μs左右时，VM值使得VS2得以导通，V2也随之导通，并使V1截止，控制电压VCC降至+15V，UGE降至+10V。 假电流：在10μs之内，若VM又恢复到低电平(VDF 导通），则为假过电流现象，电路恢复正常工作。 真过流：若过电流10μs 以上，即真过流，因VM持续上升，使VS1导通，V5导通，由于C2的放电，使IGBT低速关断。 同时通过TLP521发出本路过电流信号，去触发RS锁存器A2，使其翻转，Q端输出“0”，经过GAL16V8可编程逻辑器件A3逻辑控制去封锁本路及其他各路IGBT，起到分散式就地过电流检测与保护的作用。 * 8.
HL402A（B）具有降栅压、延时软关断保护功能的IGBT厚膜集成驱动电路 HL402具有先降栅压、后软关断的双重短路保护功能，其降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过外接电容器进行整定，因而可以适应不同饱和压降IGBT的驱动和保护。 HL402采用标准单列直插式17引脚厚膜集成电路封装，对外引出15个引脚。各引脚的名称、功能及用法如下： 引脚①：驱动输出脉冲负极连接端，接发射极。 引脚②：驱动输出级正电源连接端。+25~28V。 引脚③：驱动输出脉冲正极连接端。经电阻RG接栅极。 引脚④、⑩：驱动输出级电源参考地端。
* 引脚⑤：软关断斜率电容C5连接端。 引脚⑥：软关断报警信号输出端，低电平有效。 引脚⑦、14 、15 ：空脚。使用中悬空。 引脚⑧：降栅压报警信号输出端，低电平有效。 引脚⑨：集电极电压信号输入端。经快恢复二极管接至被驱
动IGBT的集电极，检测IGBT的饱和压降。 引脚 11 ：降栅压延迟时间电容器C6连接端。一般可不接。 引脚 12 ：降栅压时间定时电容器C7的连接端。 引脚 13 ：饱和电压检测输出端。 引脚16
：内置光耦发光二极管的阴极连接端。 引脚 17 ：内置光耦发光二
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基于EXB841的IGBT驱动与保护电路研究
23:31:11来源: 互联网 关键字：&&&&&&
&1 引& 言&&& 多绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bi Transistor)是一种由双极型晶体管与MOSFET组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电能变换装置中得到了广泛应用。但是，IGBT的门极影响IGBT的通态压降、开关时间、快开关损耗、承受短路电流能力及du/dt等参数，并决定了IGBT静态与动态特性。因此设计高性能的驱动与保护电路是安全使用IGBT的关键技术[1,2]。&&& 2&IGBT对驱动电路的要求&&& （1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要陡峭；&&& （2）栅极串连电阻Rg要恰当。Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大；&&&& （3）栅射电压要适当。增大栅射正偏压对减小开通损耗和导通损耗有利，但也会使管子承受短路电流的时间变短，续流二极管反向恢复过电压增大。因此，正偏压要适当，通常为+15V。为了保证在C-E间出现dv/dt噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（5～10）V；&&&& （4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。&&& 当然驱动电路还要注意像防止门极过压等其他一些问题。日本FUJI公司的芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内外得到了广泛[2,3,4]。&&&&3&驱动芯片EXB841的控制原理图 1 EXB841的工作原理&&&& 图1为EXB841的驱动原理[4,5]。其主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保护动作过程。14和15两脚间外加PWM控制信号，当触发脉冲信号施加于14和15引脚时，在GE两端产生约16V的IGBT开通电压；当触发控制脉冲撤销时，在GE两端产生-5.1V的IGBT关断电压。过流保护动作过程是根据IGBT的CE极间电压Uce的大小判定是否过流而进行保护的，Uce由二极管Vd7检测。当IGBT开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障，Uce会上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6脚“悬空”，B点和C点电位开始由约6V上升，当上升至13V时，Vz1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点的电压逐渐下降，V6导通，从而使IGBT的GE间电压Uce下降，实现软关断，完成EXB841对IGBT的保护。射极电位为-5.1V，由EXB841内部的稳压二极管Vz2决定。&&& 作为IGBT的专用驱动芯片，EXB841有着很多优点，能够满足一般用户的要求。但在大功率高压高频脉冲电源等具有较大电磁干扰的全桥逆变应用中，其不足之处也显而易见。&&&（1）过流保护阈值过高。通常IGBT在通过额定电流时导通压降Uce约为3.5V，而EXB841的过流识别值为7.5V左右，对应电流为额定电流的2～3倍，此时IGBT已严重过流。&&&（2）存在虚假过流。一般大功率IGBT的导通时间约为1us左右。实际上，IGBT导通时尾部电压下降是较慢的。实践表明，当工作电压较高时，Uce下降至饱和导通时间约为4～5us，而过流检测的延迟时间约为2.7us.因此，在IGBT开通过程中易出现虚假过流。为了识别真假过流，5脚的过流故障输出信号应延迟5us，以便保护电路对真正的过流进行保护。&&&（3）负偏压不足。EXB841使用单一的20V电源产生+15V和-5V偏压。在高电压大电流条件下，开关管通断会产生干扰，使截止的IGBT误导通。&&&（4）过流保护无自锁功能。在过流保护时，EXB841对IGBT进行软关断，并在5脚输出故障指示信号，但不能封锁输入的PWM控制信号。&&&（5）无报警电路。在系统应用中，IGBT发生故障时，不能显示故障信息，不便于操作。&&&&&&& 针对以上不足，可以考虑采取一些有效的措施来解决这些问题。以下结合实际设计应用的具体电路加以说明。&&&&4&驱动电路优化设计&&& 本文基于EXB841设计IGBT的驱动电路如图2所示，包括外部负栅压成型电路、过流检测电路、虚假过流故障识别与驱动信号锁存电路，故障信息报警电路[5,6,7]。&&& ⑴&外部负栅压成型电路&&& 针对负偏压不足的问题，设计了外部负栅压成型电路。&&&&&&&& 如图2所示，用外接8V稳压管Vw1代替驱动芯片内部的稳压管Vz2，在稳压管两端并联了两个电容值分别为105uf和0.33uf的去耦滤波电容。为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅射极间并联了反向串联的16V（V02）和8V（V03）稳压二极管。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT 集电极的电压尖脉冲，需要在栅极串联电阻Rg。栅极串连电阻Rg要恰当，Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高；Rg过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大。优化电路采用了不对称的开启和关断方法。在IGBT开通时，EXB841的3脚提供+16V的电压，电阻Rg2经二极管Vd1和Rg1并联使Rg值较小。关断时，EXB841内部的V5导通，3脚电平为0，优化驱动电路在IGBT的E极提供-8V电压，使二极管V01截止，Rg= Rg1具有较大值。并在栅射极间并联大电阻，防止器件误导通。&&& ⑵&过流检测电路&&& 偏高的保护动作阈值难起到有效地保护作用，必须合适设置此阈值。但由于器件压降的分散性和温度影响，又不宜设置过低。为了适当降低动作阈值，已经提出了采用高压降检测二极管或采用串联3.3V反向稳压二极管的方法。该方法不能在提高了负偏压的情况下使用，因为正常导通时，IGBT约有3.5V左右的压降，负偏压的提高使6脚在正常情况下检测到的电平将达到12V左右，随着IGBT的工作电流增大，强电磁干扰会造成EXB841误报警，出现虚假过流。本优化电路采用可调的电流传感器。如图2所示。L为磁平衡式霍尔电流传感器，可测量交流或直流电流，反应时间小于1us，输出电压Uout同输入电流有很好的线性关系。该电路通过调节滑动电阻Rw1设定基准电流幅值而完成保护，当电流传感器输出大于给定值时，比较器输出+15V的高电平至EXB841的6脚，使EXB841的软关断电路工作。&&& ⑶&虚假过流故障识别与驱动信号锁存电路&&&& 当IGBT过流工作时，EXB841的6脚靠上文论述的过流检测电路检测到过流发生，EXB841进入软关断过程。内部电路（C3,R6）产生约3us的延时，若3us后过流依然存在，5脚输出低电平作为过流故障指示信号，高速光耦6N136导通，Vs01截止，过流高速比较器LM319输出高电平，电容C03通过R06充电，若LM319输出持续高电平时间大于设定保护时间（一般为5us），C03的电压达到击穿稳压管Vs03的电压，使RS触发器CD4043的置1端为高电平，从而Q端输出高电平，Vs02导通，集电极输出低电平，利用由74LS09构成的与门封锁输入驱动信号。CD4043的信号延迟时间最大为几百个ns,而74LS09的信号延迟时间最大为几十个ns。因此，保护电路在信号响应上足够快。图2中，在RS触发器的R端加了复位按钮，发生故障时，RS触发器将Q端输出的高电平锁住，当排除故障后，可以按动复位按钮，接束对栅极控制信号的封锁。&&& Vs02的集电极输出同时接微处理器，可及时显示故障信息，实现故障报警。EXB841的软关断时间是由内部元件R7和C4的时间常数决定的，为了提高软开关的可靠性，在EXB841的4和5两端外加可调电阻Rw2，可调节软关断时间，在4和9脚两端外加电容&C01，可避免过高的di/dt产生的电压尖峰，但应合理选择二者的值，太大的值将增大内部三极管V3的集电极电流。&&& 5&实验结果分析&&& 图3为实测典型驱动电路驱动波形，图4为实测优化驱动电路波形。通过两图的对比，不难看出，典型驱动电路的反向关断电压不到-5V，正向驱动电压小于14.5V。而优化驱动电路的反偏压则基本达到或接近于-8V，正向驱动电压更是超过了+15V，正反向驱动电压值得到调整的同时，前后沿陡度也得到极大改善。&& 原EXB841典型驱动电路应用到大功率高压高频脉冲电源中，电源逆变部分由于负偏压不足，容易引起桥臂直通，导致IGBT经常炸毁。又因为高频造成的强电磁干扰，致使IGBT电流较小时就产生虚假过流的故障保护，使得设备无法正常运行。优化电路应用到电源后，以上故障均得以很大程度上的消除。能够满足设备正常工作的要求。&&&&6&结论&&& 本文在对IGBT器件的驱动要求进行深入分析之后，在研究了EXB841驱动原理的基础上，指出了其存在的诸多不足。再结合这些问题设计了实用性较强的优化驱动电路。该电路具有较强的过流识别能力，并能够区分真假过流，从而对系统进行有效保护。将优化驱动电路应用于大功率高压高频脉冲电源中，证明了所设计的电路完全可以对IGBT进行有效驱动、控制和过流保护。参考文献:[1]&黄家善. 电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，1999.&HUANG Jia-shan. Technique of power electronics[M]. Beijing:Mechanical Industry Press,1999.[2]&郝威，夏栋. IGBT的应用及专用驱动器EXB841的改进[J]. 电子技术，2004（11）：43-46.HAO W, XIA D. The application of IGBTs and imment for driving module EXB841[J]. Electronic Technology ,2004 (11): 43-46.(In Chinese).[3]&CHO KHAWALA R S. A discussion on IGBT short-circuit
and fault ion schemes[J].IEEE Transections on Industry Application, ): 256-262.[4]&贾好来. EXB841对IGBT的过流保护研究[J]. 太原理工大学学报，）：610-613.JIA Hao-lai. Research on overcurrent protection of IGBT by EXB841[J]. Journal of Taiyuan University of Technology ,): 610-613.[5]&孟志强，陈燕东，周华安. 基于EXB841的IGBT驱动电路优化设计[J]. 湖南大学学报（自然科学版），）：63-67.MENG Zhi-qiang, CHEN Yan-dong, ZHOU Hua-an. Optimum Design of IGBT’s Driving Circuit Based on EXB841[J]. Journal of& Huan University(Natural Sciences). ): 63-67.[6]&单庆晓，胡平旺. EXB841对IGBT的过流保护[J]. 电力电子技术，1998（3），：85-86.　SHAN Qing-xiao, HU Ping-wang. Overcurrent Protection of IGBT by EXB841[J]. Power Electronics .1998(3), :85-86.[7]&孙佃升，白连平. 一种基于EXB841的IGBT驱动与保护电路设计[J]. 微电机，）：98-100.SUN Dian-sheng, BAI Lian-ng, Design of Driving and Protecting Circuit for IGBT Applying EXB841[J].& Micromotors Servo Technique. ): 98-100.
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