Wat is het principe van het aandrijfcircuit van een MOSFET met hoog vermogen?

Dezelfde MOSFET met hoog vermogen en het gebruik van verschillende aandrijfcircuits zullen verschillende schakelkarakteristieken krijgen. Het gebruik van goede prestaties van het aandrijfcircuit kan ervoor zorgen dat het vermogensschakelapparaat in een relatief ideale schakeltoestand werkt, terwijl de schakeltijd wordt verkort, schakelverliezen worden verminderd, de installatie van de bedrijfsefficiëntie, betrouwbaarheid en veiligheid zijn van groot belang. Daarom hebben de voor- en nadelen van het aandrijfcircuit rechtstreeks invloed op de prestaties van het hoofdcircuit, de rationalisatie van het ontwerp van het aandrijfcircuit wordt steeds belangrijker. Thyristor klein formaat, licht van gewicht, hoog rendement, lange levensduur, gemakkelijk te gebruiken, kan de gelijkrichter en omvormer gemakkelijk stoppen, en kan de circuitstructuur niet veranderen onder het uitgangspunt van het veranderen van de grootte van de gelijkrichter of de omvormerstroom. IGBT is een composiet apparaat vanMOSFETen GTR, die de kenmerken heeft van een hoge schakelsnelheid, goede thermische stabiliteit, een klein aandrijfvermogen en een eenvoudig aandrijfcircuit, en de voordelen heeft van een kleine spanningsval in de toestand, een hoge weerstandsspanning en een hoge acceptatiestroom. IGBT als mainstream apparaat voor stroomuitvoer, vooral op plaatsen met hoog vermogen, wordt vaak in verschillende categorieën gebruikt.

Het ideale stuurcircuit voor MOSFET-schakelapparaten met hoog vermogen moet aan de volgende vereisten voldoen:

(1) Wanneer de stroomschakelbuis is ingeschakeld, kan het aandrijfcircuit een snel stijgende basisstroom leveren, zodat er voldoende aandrijfvermogen is wanneer deze wordt ingeschakeld, waardoor het inschakelverlies wordt verminderd.

(2) Tijdens de geleiding van de schakelende buis kan de basisstroom die door het MOSFET-stuurcircuit wordt geleverd ervoor zorgen dat de eindbuis onder elke belastingstoestand in een verzadigde geleidingstoestand verkeert, waardoor een relatief laag geleidingsverlies wordt gegarandeerd. Om de opslagtijd te verkorten, moet het apparaat zich vóór het uitschakelen in een kritieke verzadigingstoestand bevinden.

(3) uitschakelen, het aandrijfcircuit moet voldoende omgekeerde basisaandrijving bieden om de resterende dragers in het basisgebied snel naar buiten te halen om de opslagtijd te verkorten; en voeg de sperspanning toe, zodat de collectorstroom snel daalt om de landingstijd te verkorten. Uiteraard vindt de uitschakeling van de thyristor nog steeds voornamelijk plaats door de spanningsval in de omgekeerde anode om de uitschakeling te voltooien.

Momenteel rijdt de thyristor met een vergelijkbaar aantal alleen via de transformator of optocoupler-isolatie om het lage spannings- en hoogspanningseinde te scheiden, en vervolgens via het conversiecircuit om de thyristorgeleiding aan te sturen. Op de IGBT voor het huidige gebruik van meer IGBT-aandrijfmodules, maar ook geïntegreerde IGBT, systeemzelfonderhoud, zelfdiagnose en andere functionele modules van de IPM.

In dit artikel ontwerpen we voor de thyristor die we gebruiken een experimenteel aandrijfcircuit en stoppen we de echte test om te bewijzen dat deze de thyristor kan aandrijven. Wat de aandrijving van IGBT betreft, introduceert dit artikel voornamelijk de huidige hoofdtypen IGBT-aandrijving, evenals het bijbehorende aandrijfcircuit, en de meest gebruikte optocoupler-isolatieaandrijving om het simulatie-experiment te stoppen.

2. Studie van het thyristoraandrijfcircuit. In het algemeen zijn de bedrijfsomstandigheden van de thyristor:

(1) de thyristor accepteert de omgekeerde anodespanning, ongeacht de poort accepteert wat voor soort spanning de thyristor in de uit-stand staat.

(2) De thyristor accepteert voorwaartse anodespanning, alleen als de poort een positieve spanning accepteert, is de thyristor ingeschakeld.

(3) Thyristor in de geleidingstoestand, slechts een bepaalde positieve anodespanning, ongeacht de poortspanning, de thyristor drong aan op geleiding, dat wil zeggen dat na de thyristorgeleiding de poort verloren gaat. (4) thyristor in geleidingstoestand, wanneer de spanning (of stroom) van het hoofdcircuit tot bijna nul is teruggebracht, wordt de thyristor uitgeschakeld. We kiezen ervoor dat de thyristor TYN1025 is, de weerstandsspanning is 600V tot 1000V, stroom tot 25A. het vereist dat de poortaandrijfspanning 10V tot 20V is, en de aandrijfstroom 4mA tot 40mA. en de onderhoudsstroom is 50mA, de motorstroom is 90mA. ofwel DSP of CPLD triggersignaalamplitude zo lang als 5V. Allereerst, zolang de amplitude van 5V naar 24V gaat, en vervolgens via een 2:1-isolatietransformator om het 24V-triggersignaal om te zetten in een 12V-triggersignaal, terwijl de functie van de bovenste en onderste spanningsisolatie wordt voltooid.

Experimenteel circuitontwerp en analyse

Allereerst het boostcircuit, vanwege het scheidingstransformatorcircuit in de backstage van deMOSFETapparaat heeft een 15V-triggersignaal nodig, dus de noodzaak om eerst een 5V-triggersignaal te amplitude in een 15V-triggersignaal, via het MC14504 5V-signaal, omgezet in een 15V-signaal, en vervolgens via de CD4050 op de uitgang van de 15V-aandrijfsignaalvorming, kanaal 2 is aangesloten op het 5V ingangssignaal, kanaal 1 is aangesloten op de uitgang Kanaal 2 is aangesloten op het 5V ingangssignaal, kanaal 1 is aangesloten op de uitgang van het 15V-triggersignaal.

Het tweede deel is het isolatietransformatorcircuit, de belangrijkste functie van het circuit is: het 15V-triggersignaal, omgezet in een 12V-triggersignaal om de achterkant van de thyristorgeleiding te activeren, en om het 15V-triggersignaal en de afstand tussen de achterkant uit te voeren fase.

Het werkingsprincipe van de schakeling is: vanwege deMOSFETIRF640 aandrijfspanning van 15V, dus allereerst in J1 toegang tot 15V blokgolfsignaal, via de weerstand R4 aangesloten op de regelaar 1N4746, zodat de triggerspanning stabiel is, maar ook om de triggerspanning niet te hoog te maken , MOSFET verbrand, en vervolgens naar de MOSFET IRF640 (in feite is dit een schakelbuis, de bediening van de achterkant van het openen en sluiten. Controleer de achterkant van de inschakeling en uitschakeling), na het regelen van de werkcyclus van het aandrijfsignaal, om de in- en uitschakeltijd van de MOSFET te kunnen regelen. Wanneer de MOSFET open is, gelijk aan de D-pool-aarde, uit als deze open is, na het back-end-circuit gelijk aan 24 V. En de transformator is door de spanningsverandering om het juiste uiteinde van het 12 V-uitgangssignaal te maken . Het rechteruiteinde van de transformator is aangesloten op een gelijkrichtbrug en vervolgens wordt het 12V-signaal uitgevoerd via connector X1.

Problemen die zich tijdens het experiment hebben voorgedaan

Allereerst, toen de stroom werd ingeschakeld, sprong de zekering plotseling, en later, toen het circuit werd gecontroleerd, bleek dat er een probleem was met het oorspronkelijke circuitontwerp. Om het effect van de schakelende buisuitgang te verbeteren, werd aanvankelijk de 24V-aarde en 15V-aardescheiding, waardoor de G-poort van de MOSFET gelijkwaardig is aan de achterkant van de S-pool, opgeschort, wat resulteert in valse triggering. De behandeling bestaat uit het met elkaar verbinden van de 24V- en 15V-aarde, en nogmaals om het experiment te stoppen, werkt het circuit normaal. De circuitaansluiting is normaal, maar als u gedurende een bepaalde tijd deelneemt aan het aandrijfsignaal, MOSFET-warmte en het aandrijfsignaal, wordt de zekering doorgebrand en voegt u vervolgens het aandrijfsignaal toe, de zekering wordt direct doorgebrand. Controleer of het circuit heeft vastgesteld dat de werkcyclus op hoog niveau van het aandrijfsignaal te groot is, waardoor de MOSFET-inschakeltijd te lang is. Het ontwerp van dit circuit zorgt ervoor dat wanneer de MOSFET open is, 24V direct aan de uiteinden van de MOSFET wordt toegevoegd en er geen stroombegrenzende weerstand wordt toegevoegd, als de aan-tijd te lang is om de stroom te groot te maken, MOSFET-schade, de noodzaak om de duty-cycle van het signaal te regelen kan niet te groot zijn, meestal in de 10% tot 20% of zo.

2.3 Verificatie van het aandrijfcircuit

Om de haalbaarheid van het aandrijfcircuit te verifiëren, gebruiken we het om het thyristorcircuit in serie met elkaar aan te drijven, de thyristor in serie met elkaar en vervolgens anti-parallel, toegang tot het circuit met inductieve reactantie, de voeding is een 380V AC-spanningsbron.

MOSFET in dit circuit triggert de thyristor Q2, Q8 het signaal via de G11- en G12-toegang, terwijl Q5, Q11 het triggersignaal activeert via de G21, G22-toegang. Voordat het stuursignaal wordt ontvangen op het thyristorpoortniveau, wordt, om het anti-interferentievermogen van de thyristor te verbeteren, de poort van de thyristor verbonden met een weerstand en een condensator. Dit circuit is verbonden met de inductor en vervolgens in het hoofdcircuit geplaatst. Na het regelen van de geleidingshoek van de thyristor om de grote inductor in de hoofdcircuittijd te regelen, zijn de bovenste en onderste circuits van de fasehoek van het triggersignaalverschil van een halve cyclus, de bovenste G11 en G12 een triggersignaal helemaal via het stuurcircuit van de voorste trap van de scheidingstransformator is van elkaar geïsoleerd, de onderste G21 en G22 zijn ook geïsoleerd op dezelfde manier als het signaal. De twee triggersignalen activeren de positieve en negatieve geleiding van het anti-parallelle thyristorcircuit, boven het 1-kanaal is verbonden met de gehele thyristorcircuitspanning, in de thyristorgeleiding wordt deze 0, en 2, 3-kanaals is op en neer verbonden met het thyristorcircuit de wegtriggersignalen, het 4-kanaals wordt gemeten door de stroom van de gehele thyristorstroom.

2-kanaals gemeten een positief triggersignaal, geactiveerd boven de thyristorgeleiding, de stroom is positief; 3-kanaals gemeten een omgekeerd triggersignaal, waardoor het onderste circuit van de thyristorgeleiding wordt geactiveerd, de stroom is negatief.

3.IGBT-aandrijfcircuit van het seminar IGBT-aandrijfcircuit heeft veel speciale verzoeken, samengevat:

(1) de snelheid waarmee de spanningspuls stijgt en daalt, moet voldoende groot zijn. igbt inschakelen, de voorflank van de steile poortspanning wordt toegevoegd aan de poort G en emitter E tussen de poort, zodat deze snel wordt ingeschakeld om de kortste inschakeltijd te bereiken om inschakelverliezen te verminderen. Bij de IGBT-uitschakeling moet het poortaandrijfcircuit de IGBT-landingsrand een zeer steile uitschakelspanning bieden, en aan de IGBT-poort G en emitter E tussen de juiste omgekeerde voorspanning, zodat de IGBT snelle uitschakeling de uitschakeltijd verkort, vermindert het uitschakelverlies.

(2) Na IGBT-geleiding moeten de stuurspanning en -stroom geleverd door het poortaandrijfcircuit voldoende amplitude hebben voor de IGBT-aandrijfspanning en -stroom, zodat het uitgangsvermogen van de IGBT zich altijd in een verzadigde toestand bevindt. Bij tijdelijke overbelasting moet het aandrijfvermogen van het poortaandrijfcircuit voldoende zijn om ervoor te zorgen dat de IGBT het verzadigingsgebied niet verlaat en beschadigd raakt.

(3) Het IGBT-poortaandrijfcircuit moet een positieve IGBT-aandrijfspanning leveren om de juiste waarde aan te nemen, vooral tijdens het kortsluitbedrijfsproces van de apparatuur die in de IGBT wordt gebruikt, moet de positieve aandrijfspanning worden geselecteerd op de minimaal vereiste waarde. De schakeltoepassing van de poortspanning van de IGBT moet het beste 10V ~ 15V zijn.

(4) IGBT-uitschakelproces, de negatieve voorspanning die wordt aangelegd tussen de poort-emitter is bevorderlijk voor de snelle uitschakeling van de IGBT, maar mag niet te groot worden genomen, gewone neem -2V tot -10V.

(5) in het geval van grote inductieve belastingen is te snel schakelen schadelijk, grote inductieve belastingen in de snelle in- en uitschakeling van de IGBT zullen hoogfrequente en hoge amplitude en smalle breedte van de piekspanning Ldi / dt produceren , de piek is niet gemakkelijk te absorberen, gemakkelijk om schade aan het apparaat te vormen.

(6) Omdat de IGBT wordt gebruikt op plaatsen met hoge spanning, moet het stuurcircuit zich met het gehele stuurcircuit in het potentieel van ernstige isolatie bevinden, het gewone gebruik van snelle optische koppelingsisolatie of transformatorkoppelingsisolatie.

Status aandrijfcircuit

Met de ontwikkeling van geïntegreerde technologie wordt het huidige IGBT-poortaandrijfcircuit grotendeels bestuurd door geïntegreerde chips. De besturingsmodus bestaat nog steeds hoofdzakelijk uit drie soorten:

(1) type directe triggering, geen elektrische isolatie tussen de ingangs- en uitgangssignalen.

(2) Transformatorisolatieaandrijving tussen de ingangs- en uitgangssignalen met behulp van pulstransformatorisolatie, isolatiespanningsniveau tot 4000V.

Er zijn 3 benaderingen:

Passieve benadering: de uitgang van de secundaire transformator wordt gebruikt om de IGBT rechtstreeks aan te sturen. Vanwege de beperkingen van de volt-seconde-egalisatie is deze alleen toepasbaar op plaatsen waar de duty-cycle niet veel verandert.

Actieve methode: de transformator levert alleen geïsoleerde signalen, in het secundaire plastic versterkercircuit om IGBT aan te sturen, is de aandrijfgolfvorm beter, maar de noodzaak om afzonderlijk hulpvermogen te leveren.

Zelfvoorzieningsmethode: pulstransformator wordt gebruikt voor het verzenden van zowel aandrijfenergie als hoogfrequente modulatie- en demodulatietechnologie voor de overdracht van logische signalen, onderverdeeld in zelfvoorzieningsbenadering van het modulatietype en zelfvoorziening van time-sharing-technologie, waarbij de modulatie -type zelfvoorzieningsstroom naar de gelijkrichtbrug om de vereiste stroomvoorziening te genereren, hoogfrequente modulatie- en demodulatietechnologie om logische signalen te verzenden.

3. Contact en verschil tussen thyristor en IGBT-aandrijving

Thyristor en IGBT-aandrijfcircuit hebben een verschil tussen het vergelijkbare centrum. Allereerst moeten de twee aandrijfcircuits het schakelapparaat en het stuurcircuit van elkaar isoleren, om te voorkomen dat hoogspanningscircuits een impact hebben op het stuurcircuit. Vervolgens worden beide toegepast op het poortaandrijfsignaal om het schakelapparaat in te schakelen. Het verschil is dat de thyristoraandrijving een stroomsignaal nodig heeft, terwijl de IGBT een spanningssignaal nodig heeft. Na de geleiding van het schakelapparaat heeft de poort van de thyristor de controle over het gebruik van de thyristor verloren. Als u de thyristor wilt uitschakelen, moeten de thyristoraansluitingen worden toegevoegd aan de sperspanning; en IGBT-uitschakeling hoeft alleen te worden toegevoegd aan de poort van de negatieve stuurspanning om de IGBT uit te schakelen.

4. Conclusie

Dit artikel is hoofdzakelijk verdeeld in twee delen van het verhaal: het eerste deel van het verzoek van het thyristoraandrijfcircuit om het verhaal te stoppen, het ontwerp van het overeenkomstige aandrijfcircuit, en het ontwerp van het circuit wordt toegepast op het praktische thyristorcircuit, door middel van simulatie. en experimenten om de haalbaarheid van het aandrijfcircuit te bewijzen, werd het experimentele proces dat men tegenkwam bij de analyse van de problemen gestopt en afgehandeld. Het tweede deel van de hoofddiscussie over de IGBT op verzoek van het aandrijfcircuit, en op deze basis om het huidige veelgebruikte IGBT-aandrijfcircuit en het belangrijkste optocoupler-isolatieaandrijfcircuit verder te introduceren om de simulatie en het experiment te stoppen, om de haalbaarheid van het aandrijfcircuit.