激光器电源中IGBT的驱动与保护电路设

为了解决激光器高压电源工频调压电源的电流纹波大、闸流管容易二次连通的问题，研制了可同步延时的多相脉冲充电式激光器高压开关电源。它采用直流开关电源与群脉冲变换高压充电相结合的大功率铜蒸气激光器供电方式，提高了激光器脉冲能量稳定性；采用同步延迟充电、欠谐振充电，结合阻性闸流管负压消除电路，增加了闸流管的消电离时间，减小了二次连通的概率。
 
激光器高压电源中的核心部件IGBT，耐压达1．2kV，集电极电流为40A(25oC)，具有较强的抗短路电流能力、较高的开关速度、较低的导通压降和开关损耗的特点，可以满足系统对开关管的耐压和冲击电流的设计要求。激光器电源中IGBT的工作频率为40kHz，在激光器电源的设计中，IGBT驱动电路选择了驱动集成模块FAN8800，它可外接光隔离器，具有过流、短路保护功能，负逻辑门驱动能力，优化的低压锁定功能。 要保证IGBT可靠工作，驱动和保护电路起着至关重要的作用，对IGBT驱动保护电路的基本要求如下：
提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT能可靠地导通和关断。
提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使IG．BT能及时迅速地建立栅控电场而导通。
尽可能短的输入输出延迟时问，以提高工作效率。
足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。
具有灵敏的短路保护能力。
 
电路原理
电源中IGBT的驱动电路及保护电路原理如图1所示。本电路选用HCPL2630高速光耦作为脉冲产生电路与驱动电路的电气隔离，以获得更精确的脉冲驱动。经过光耦合后的驱动信号由FAN8800的引脚3(IN)输入，引脚5(OUT)输出。FAN8800的引脚8(DESAT)为过电流和短路保护检测端，在短路保护模式(SCP)下，IGBT在导通状态时，如果引脚8上的电压超过6．5V就触发保护，引脚5输出慢关断，引脚7(FAULT)输出高电平，并通过光隔离器输出保护信号到前端控制回路。
 
在IGBT的驱动设计中，栅极串联电阻和驱动电压的选择、缓冲保护电路以及过流保护电路是3个关键的部分。这些主要由所驱动的IGBT的电流容量和电路工作状态决定。 主要参数设计
栅极串联电阻器和驱动电压的选择
栅级串联电阻器(图1中的JR!和R，)的选择对IGBT的安全工作和电路的稳定性有较大的影响。一般情况下，栅级串联电阻越小，IGBT的导通速度越快，导通损耗也越小，也有利于加快关断速度和减小关断损耗，避免在导通和关断时集电极电压的dv／dt耦合到栅极，造成IGBT误关断和导通。但是，如果栅极串联电阻过小，当电路过流或短路时，IGBT的峰值电流也就越大，易导致IGBT或续流二极管损坏；当关断时由于集电极电流下降的di／dt过大，产生较大的集电极电压尖峰，引起IGBT击穿。从SGL25N120RUFD的特性曲线综合考虑，选择R=25n，R10D．，使得电路的关断时间与导通时间较为接近。
 
缓冲保护电路
在电源设计中，要求IGBT的导通宽度在较大的范围内变化，采用谐振的方法并不适宜，而采用辅助开关进行零电压导通或零电流关断又较为复杂，所以仍然采用了简单的RC缓冲电路，如图2所示。其中D．、D选用RHRG30120超快恢复二极管。
 
用FAN8800构成的IGBT驱动电路，具有良好的驱动特性，输出的正向和反向栅极电压均能满足要求，且有很好的保护功能，在过流和短路时能快速关断，增强了电路的工作稳定性，可广泛应用于各类电源中IGBT的驱动。