IGBT驱动和保护电路设计及优化

论文总字数：28529字

摘 要

大功率IGBT在当今电力电子技术中的应用越来越广泛，本文主要讨论研究应用于大功率电压变化电路的IGBT的驱动方案设计及驱动方案优化论证。本文的主要研究内容是大功率IGBT驱动电路的设计及优化，以基本驱动电路为主体进行设计，依靠有源钳位电路实现优化。着重讨论分析了驱动电路正常工作时IGBT的相关波形，就驱动器的基本功能实现以及门极开通关断电阻对于驱动性能的影响做了探讨，对可能影响正常驱动功能的影响因素进行了说明。在优化方面，本文重点关注了短路负载时有源钳位电路的功能实现，就短路关断瞬间IGBT的门极电压波形，集电极-发射极电压波形，集电极电流波形的特征进行了分析论证，对于短路关断瞬间IGBT的工作状态进行了描述，对于其他可能影响短路性能的参数进行了简单说明。本文利用Saber仿真软件进行大功率IGBT的仿真模型构建以及驱动电路的基本功能验证。在仿真实验的基础上，进行硬件电路的搭建和测试，实测IGBT在此驱动电路下正常工作以及短路关断瞬间的相关电压电流波形。依据软件仿真和硬件测试得出结论。

关键词：大功率;IGBT;驱动电路;有源钳位;电路优化

DESIGN AND OPTIMIZATION OF A CIRCUIT

FOR IGBT DRIVE AND PROTECTION

Abstract

As high-power IGBT is more and more widely used in the power electronics technology, this article will discuss about the circuit design and driver optimization of the IGBT which mainly applies in the power voltage conversion circuit. The main content of this thesis is the design and optimization of high-power IGBT drive circuit. The main body of the design is basic drive circuit while the optimization will rely on the active clamp reset technique. This article mainly focuses on the analysis of the relevant waveform about the IGBT and makes a discussion about the impact of the gate turn-on and turn-off resistance. The article also describes some factors that may affect the normal drive function. As for optimization, the article focuses on the function of the active clamp reset technique. Analyzing the characteristics data from the waveform of the IGBT gate voltage, collector - emitter voltage and collector current when IGBT is turned off on short, this article makes a description about the working state of the high-power IGBT when short and exchanging state from turn-on to turn-off. The topic about other factors that may affect the performance of IGBT when short is also discussed in this thesis. Some simply explanation is given in the article. In this paper, the simulation relies on Saber, high-power IGBT simulation model is constructed in this article and the basic functional drive circuit is established for verification. On the basis of simulation experiments, hardware circuit is carried out. Transient voltage and current waveforms when circuit short are collected and analyzed based on this IGBT drive circuit. Conclusion is given based on software simulation and hardware testing.

KEY WORDS: High-power; IGBT; Drive circuit; Active clamp reset technique; Circuit optimization

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 IGBT驱动和保护电路主要功能 1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 2

第二章 驱动电路的理论基础 3

2.1 IGBT驱动电路门极电阻的选取 3

2.1.1 门极电阻R_G对IGBT开关特性的影响 4

2.1.2 门极电阻与续流二极管 5

2.1.3 输出级设计 5

2.2 有源钳位电路 6

2.2.1 基本有源钳位电路 6

2.2.2 改进有源钳位电路 7

第三章 仿真分析 9

3.1 大功率IGBT仿真 9

3.2 软件仿真方案设计 9

3.2.1 大功率IGBT器件仿真 9

3.2.2 IGBT驱动软件仿真测试 10

3.2.3 短路仿真方案 11

3.3 软件仿真 12

3.3.1 大功率IGBT仿真模型构建 12

3.3.2 驱动电路的基本功能验证 13

3.3.3 有源钳位电路功能验证 15

第四章 实验验证 17

4.1 IGBT驱动模块电路设计 17

4.2 硬件电路连接 18

4.2.1 驱动电路 20

4.2.2 IGBT 20

4.2.3 母线部分 20

4.2.4 测量部分 21

4.3 正常工作稳态相关参数测试 21

4.3.1 不同母线电压的基本驱动功能验证及相关参数测试 21

4.3.2 其他影响因素 26

4.4 负载短路相关参数测试及有源钳位功能验证 29

4.4.1 无有源钳位的短路实验 29

4.4.2 有源钳位的短路实验 33

4.4.3 其他影响因素 35

第五章 结 论 39

致 谢 40

参 考 文 献 41

1. 绪 论

1.1 引言

电机控制技术中，作为能量控制和转换的载体，功率半导体器件极其重要。最近几年，功率半导体器件发展迅猛，这对于电力电子技术的发展有很大的促进作用，为了满足电力电子技术对于频率、温度、压力、功率等方面提出的更高要求，功率半导体仍不断发展且前景大好。

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