一种适合中频感应加热电源的IGBT驱动技术

范立荣，张凯强

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海519070）

感应加热电源已经在工业中得到了广泛的应用，其中功率半导体器件及其控制技术的发展是影响大功率感应加热电源应用水平的重要因素。目前以IGBT器件为代表的功率半导体器件采用电压型驱动，具有驱动功率小、开关速度快、饱和压降低以及可耐高压、大电流等一系列优点[1],被广泛运用在感应加热电源中。

在IGBT的具体应用中，对于不同的频率、功率等级和不同的电路拓扑结构,其驱动和保护电路各不相同。因此需要应用工程师考虑方方面面的问题。针对IGBT构成的单相桥式串联谐振逆变器的感应加热电源,本文提出一种采用北京落木源电子技术有限公司生产的IGBT专用驱动芯片TX-KA101作为核心器件，附加简单的外围和检测电路构成的IGBT驱动电路,很好地解决了以上几个方面的问题。它具有驱动能力强、延时小、工作频率高的优点，在短路过流保护方面，采用优于行业其他产品的三段式过流软关断技术，能有效降低IGBT损坏的风险。同时可根据用户需求调节保护阈值、盲区、软关断时间等参数，使产品的适用性得到极大的提高。

1 KA101驱动构成及工作原理

1.1 KA101主要特点

TX-KA101是北京落木源电子技术有限公司生产的专用于IGBT驱动的单管大功率集成芯片，它具有驱动延迟时间小(小于 0.6 μs)、工作频率高(可达 80 kHz)的特点，驱动输出正电压+14.5 V,负电压-8.5 V，保证可靠的关断且避免了干扰。此外，它还具有工作效率高、发热量小、外围电路简单、保护参数齐全、使用方便等优点。

1.2 驱动电路原理

图1是TX-KA101的原理框图，PWM信号经高速光耦HCPL-0453隔离、放大，再到输出驱动IGBT。当IGBT集射极电压超过用户设定阈值时，检测过流端(7脚)就会检测到，从而启动内部的保护机制：先是有一段盲区(避免尖峰干扰)；然后是降栅压，让短路电流减小，延长允许的短路过流时间；之后再判断是不是真过流，若是真过流则进行软关断一直到可靠关断的负电平(大约-3 V)，否则恢复正常PWM波。

图1 TX-KA101原理框图

2 输入信号的处理

驱动器信号输入接口如图2所示。其中，1、2脚为PWM信号输入,它采用双端输入，R1控制输入具有10 mA以上的驱动能力。 具体计算公式为R1=(Vpwm－Vim)/Ipwm＝(Vim－1.5)/10 mA，Vpwm为输入 PWM 信号峰值，Vim为驱动器输入内部压降，取为1.5 V。C1为加速电容，可取为470 pF。

图2 PWM信号输入接口

3 供电电源要求及选取

供电电源要求如表1所示。

表1 驱动器供电电源参数

4 IGBT过流保护电路的设计及参数的选择

驱动器保护信号接口如图3所示。

4.1 过流阈值设定及调试

图3 驱动器保护信号连接图

触发过流保护动作时的7脚对16脚的电压为过流阈值。当7脚对16脚(即 IGBT的集射极)的电位升高到7.5 V时启动内部的保护机制，在6脚与16脚间接一个电阻Rn可以根据需要调节过流保护的阈值。

4.2 盲区时间设定

检测到IGBT集电极的电位高于保护动作阈值后到开始降栅压的时间为盲区时间。因为各种尖峰干扰的存在，为避免频繁的保护影响驱动芯片的正常工作，设立盲区是很有必要的。在5脚与12脚间接一个电容Cblind可以调大盲区的时间。

4.3 预降栅压

实践证明，IGBT的短路电流与栅压有密切的关系，栅压越高，短路时的电流就越大[2]。为避免关断IGBT时Ldi/dt过大而形成过压，导致IGBT失控或过压损坏，采用降栅压(这里Vdrop=5 V)的软关断综合保护技术，以减小故障电流的幅值，延长IGBT承受短路电流的时间，通过9脚可以设置降栅压的斜率。

4.4 延迟时间设定

初始栅压开始降低到驱动器开始软关断IGBT之间的时间为延迟时间。在Tdelay时间内，如果过流信号消失，则驱动器认为这种过流不属于真正的短路，无需中断电源的正常工作，而恢复原来的驱动电平。如果过流信号仍存在，则将进入软关断的进程。在8脚与16脚间接一个电容Cdelay，可以设定延迟判断时间Tdelay。

4.5 软关断时间设定

驱动脉冲电压从开始软关断降至到0电平的时间为软关断时间。在11脚与16脚间接一个电容Csoft，可加大软关断时间。软关断开始后，驱动器封锁输入PWM信号，即使PWM信号变成低电平，也不会立即将输出拉到正常的负电平，而要将软关断过程进行到底，以确保IGBT可靠关断。

5 栅极电阻Rg的选取

5.1 栅极电阻作用

选择适当的栅极电阻对IGBT的驱动至关重要，栅极电阻大，开通速度慢，开关损耗大；栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小，但过小的栅极电阻会引起栅极震荡，且驱动速度过快也将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，因此必须统筹兼顾两者的关系。5.2节给出了栅极电阻的大致适用范围，可结合所选IGBT与表2及实际测试结果进行选择。

表2 栅极电阻初选表

5.2 栅极电阻及驱动功率要求

各种不同的考虑下，栅极电阻的选取会有很大的差异。初试可按表2进行选取[3]。

6 KA101的典型应用连接与实测波形

6.1 KA101的典型应用连接

图4给出TX-KA101的典型应用连接。

图4 TX-KA101应用连接图

下面对驱动电路的正常驱动和当出现过流时是否进行降栅压、软关断保护以及当有外来过流信号时是否执行软关断封锁脉冲等性能进行实验。图5为实验结果，其中图5(a)是 86 kHz正常驱动输出情况，输出上升延迟为 200 ns，下降延迟 600 ns，上升、下降沿陡峭；图 5(b)是25 kHz时降栅压、软关断信号封锁波形。改变Csoft的值可以改变软关断的斜率时间。

图5 实验结果

从图 5(a)～图 5(c)可以看出，TX-KA101在正常时能可靠驱动IGBT，在发生过流时也能很好地保护IGBT不被损坏，是一款性能良好的驱动芯片。

6.2 KA101在中频感应加热应用中的部分实测波形

逆变主电路采用全桥串联谐振形式,三相AC 380 V输入，输出功率60 kW，谐振频率22 kHz。其KA101的驱动应用连接电路如图6所示 (Q1、Q2用英飞凌 IGBTFF300R12KS4)。

图6 KA101驱动半桥时的应用连接图

全桥连接可在半桥连接的基础上再增加2个KA101进行驱动，其驱动电路图同图6。

图7 10 kW时经TX-KA101驱动后IGBT

图8 10 kW时经TX-KA101驱动后负载电流波形

图9 60 kW时经TX-KA101驱动后栅极驱动电压波形

图7～图10为 10～60 kW 时 IGBT栅极驱动电压及负载电流波形，图7、图8为 KA101在某一钢铁企业中的实测波形(半桥)，图 9、图 10为 KA101在某矿山企业的实测波形(全桥)。可以看出电压、电流大致都保持反相位，系统可得到最大的功率输出，且电流波形近似为规则的正弦波。由于切换频率己经很接近谐振频率，开关器件的状态转换为准谐振开关状态，即IGBT的开通发生在零电压状态，关断发生在零电流状态。在这种情况下，可以看出TX-KA101单管驱动芯片能很好地驱动IGBT，且发热量小，在过流时也能很好地保护IGBT不被损坏。

图10 60 kW时经TX-KA101驱动后驱动电压及负载电流波动

本文设计出一种适合感应加热电源的IGBT驱动与保护电路，其核心芯片TX-KA101具有输出20 A的峰值电流和最大输出电荷20 μC的驱动能力，驱动能力强，能够对大功率IGBT模块进行驱动。它具备三段式过流保护功能，满足感应加热电源对IGBT的驱动与保护要求。同时它具有延迟时间小、工作频率高、结构紧凑、工作效率高、发热量小等优点，其IGBT的开通和关断时间可分别控制，驱动效果显著，可以经受工业环境中严格的考验，用户可根据自身要求调节保护阈值、盲区、关断时间等参数，外围电路简单易用，使产品的适用性得到极大提高。

[1]周志敏，纪爱华.高效功率器件驱动与保护电路设计及运用实例[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]蔡兵，王培元.大功率IGBT驱动过流保护电路研究[J].襄樊学院学报，2005，26(5)：60-62.

[3]北京落木源电子技术有限公司.TX-KA101 IGBT驱动芯片说明书[Z].2008.