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[導(dǎo)讀]我們中的許多人都熟悉低功率直流電機(jī),因為我們在日常生活中隨處可見它們。我們可能看不到所有更大的交流工業(yè)電機(jī)在幕后工作,以自動化我們的汽車組裝或提升我們每天乘坐的電梯。這些大功率電機(jī)由具有不同要求和更高電流的電子設(shè)備驅(qū)動。在本文的第 1 部分中,我們將討論用于控制三相交流電機(jī)大電流的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的理論和要求。在第 2 部分中,我們將討論隔離要求和正確計算 IGBT 驅(qū)動功率量。

我們中的許多人都熟悉低功率直流電機(jī),因為我們在日常生活中隨處可見它們。我們可能看不到所有更大的交流工業(yè)電機(jī)在幕后工作,以自動化我們的汽車組裝或提升我們每天乘坐的電梯。這些大功率電機(jī)由具有不同要求和更高電流的電子設(shè)備驅(qū)動。在本的第 1 部分中,我們將討論用于控制三相交流電機(jī)大電流的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)的理論和要求。在第 2 部分中,我們將討論隔離要求和正確計算 IGBT 驅(qū)動功率量。

三相逆變器用于控制交流電機(jī)速度的變頻驅(qū)動器和大功率應(yīng)用。IGBT 用于三相逆變器的每一相的半橋配置。半橋的高側(cè)和低側(cè) IGBT 開關(guān)分別用于以交流模式向電機(jī)線圈施加正負(fù)高壓直流脈沖。單個隔離式柵極驅(qū)動器 IC 驅(qū)動每個 IGBT 的柵極,并將高壓輸出與低壓控制輸入電隔離。頂部(高側(cè))IGBT 的集電極連接到高壓直流母線。該 IGBT 的發(fā)射極相對于大地浮動以維持晶體管的 V CE在其規(guī)定的范圍內(nèi)。這又需要使用隔離柵極驅(qū)動器,以便將來自控制電路的低壓 PWM 輸入與 IGBT 的高壓隔離。隔離式柵極驅(qū)動器也用于控制底部(低側(cè))IGBT。下圖顯示了工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器的典型配置。

IGBT 柵極驅(qū)動器 IC必須同時執(zhí)行多種功能。在 IGBT 開通期間,柵極電容被充電,當(dāng)達(dá)到 IGBT 閾值電壓 (V GE_on ) 時,反向傳輸電容(稱為米勒電容)也被充電。為了關(guān)斷 IGBT,柵極電容必須放電,一旦達(dá)到閾值電壓 (V GE_off ),反向傳輸電容也需要放電。理論上,開啟和關(guān)閉電壓必須至少超過閾值電平,但實際上,這些值必須由與應(yīng)用更相關(guān)的其他電壓代替。通常,IGBT 以標(biāo)稱 15V 的正柵極電壓開啟。

通常施加到柵極的 0V 足以關(guān)閉 IGBT。然而,為了防止米勒電容上的電壓變化 (dVCE/dt)(由于半橋中對面 IGBT 的開啟)導(dǎo)致關(guān)閉的 IGBT 的柵極重新開啟,一個較大的負(fù)電壓(-8V 至 - 15V) 通常應(yīng)用于柵極驅(qū)動器 IC 的 V EE。正確選擇控制電壓非常重要。

當(dāng)在柵極和發(fā)射極之間施加正控制電壓(高于閾值)時,IGBT 開啟。由于 IGBT 的跨導(dǎo),集電極電流是柵極-發(fā)射極電壓的函數(shù)。還依賴于飽和電壓。換句話說,柵極-發(fā)射極電壓越高,可能的集電極電流就越高,由此產(chǎn)生的飽和電壓就越低。實現(xiàn)盡可能低的傳導(dǎo)損耗,由 V CEsat = f(I C , V GE),希望在相當(dāng)高的正控制電壓下工作。另一方面,應(yīng)該注意的是,如果發(fā)生故障,高柵極-發(fā)射極電壓可能會產(chǎn)生高短路電流。因此,需要在正常工作期間的傳導(dǎo)損耗和發(fā)生故障時的最大短路電流之間找到折衷方案。柵極電壓最常見的值為 15V,在 IGBT 驅(qū)動器數(shù)據(jù)表中也顯示為特征值。不得超過絕對最大值;否則可能會對驅(qū)動器 IC 造成內(nèi)部損壞,并且在短路期間可能會產(chǎn)生破壞性的高電流。

0V 關(guān)斷的情況下,由于以下兩個原因之一,可能會發(fā)生寄生導(dǎo)通:

1. 由于米勒電容的反饋效應(yīng)(主要原因是半橋中的另一個IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷時集電極和發(fā)射極之間的電壓變化)

2. 由于發(fā)射極雜散電感的反饋效應(yīng)。(造成這種情況的主要原因是負(fù)載電流di L /dt的變化)

通過施加負(fù)控制電壓,IGBT 被關(guān)閉,重新開啟 IGBT 所需的柵極電壓遠(yuǎn)高于前面描述的米勒效應(yīng)所能達(dá)到的電壓。根據(jù)應(yīng)用,-5V 至 -10V 范圍內(nèi)的關(guān)斷電壓非常常見。主要原因是:

1. 降低所需的驅(qū)動器功率,這與從負(fù)柵極電壓到正柵極電壓的電壓提升成正比。

2. 驅(qū)動IC的可用性。許多驅(qū)動器 IC 是基于 CMOS 或 BiCMOS 技術(shù)開發(fā)的,它們僅在正負(fù)電源電壓之間提供最大 30V 的有限阻斷能力。考慮到電源電壓容差和最大電壓限制的足夠安全裕度,V EE電源軌證明的通常負(fù)柵極電壓在 -5V 至 -10V 范圍內(nèi)。

查看第 2 部分,我們將在其中討論隔離和電源要求。




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