一种应用于三相全桥电路的IGBT驱动芯片设计

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在电力电子技术领域,三相全桥电路得到广泛应用。对三相全桥电路来说,性能优良的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)驱动芯片在保证三相全桥电路安全可靠工作的同时还能够提升整个电机系统的效率。因此,对应用于三相全桥电路的IGBT驱动芯片进行研究具有重要的意义。本文从实际应用需求出发,对应用于三相全桥电路的IGBT驱动芯片的设计进行研究。论文首先完成了芯片整体框图的设计,根据实际应用的要求确定了芯片的设计指标,并对各个电路模块进行了详细的分析与设计,其中包括线性稳压器、带隙基准电路、芯片的欠压检测电路、芯片的过温检测电路、三相全桥电路低侧IGBT的短路检测电路、三相全桥电路高侧IGBT的短路检测电路以及IGBT的驱动电路等模块。对于IGBT的硬短路故障,本文提出了一种新型的硬短路故障检测电路,该检测电路通过检测IGBT开通时电压VGE是否存在米勒平台来判断IGBT是否发生硬短路。同其他同类型的检测电路相比,其具有工作原理简单、版图面积小、功耗低以及能够全集成等优点。本文将其用来检测高侧IGBT的硬短路故障,同时,采用VCE退饱和检测法实现高侧IGBT的软短路故障检测;对于低侧IGBT,采用di/dt-栅极电压检测法实现两种短路故障的检测。对于采用这种方法可能产生的误检测,通过多添加一个比较器和相应的数字电路来解决。使用Spectre仿真软件对上述各个电路模块进行了设计与仿真,并且对芯片的功能进行了仿真验证。本文设计的应用于三相全桥电路的IGBT驱动芯片供电电源电压为15V,输入接口电路兼容3.3V CMOS信号与5V TTL信号,输出驱动电压为15V,输出最大驱动电流为1A,能够处理最高频率为50kHz的方波信号。芯片内部集成了各类故障检测电路,这些检测电路能够快速检测发生的各类故障,保护整个电路系统的正常运行。该芯片基于世界先进半导体(VIS)700V BCD工艺进行设计与仿真,仿真结果表明设计的芯片满足各项要求。
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