IGBT驅(qū)動電路的作用

IGBT驅(qū)動電路的作用是驅(qū)動IGBT模塊以能讓其正常工作，同時對IGBT模塊進行保護。IGBT 驅(qū)動電路的作用對整個IGBT構成的系統(tǒng)來說至關重要。IGBT是電路的核心器件，它可在高壓下導通，并在大電流下關斷，在硬開關橋式電路中，功率器件IGBT能否正確可靠地使用起著至關重要的作用。驅(qū)動電路就是將控制電路輸出的PWM信號進行功率放大，以滿足驅(qū)動IGBT的要求，驅(qū)動電路設計的是否合理直接關系到IGBT的安全、可靠使用。IGBT驅(qū)動電路還為IGBT器件提供門極過壓、短路保護、過流保護、過溫保護、Vce過壓保護(有源鉗位)、門極欠壓保護，didt保護(短路過流保護的一種)。

IGBT驅(qū)動電路的設計

1. 設計IGBT驅(qū)動電路需要考慮的性能參數(shù)

1)IGBT在電路中承受的正反向峰值電壓，可以由下面的公式導出：

設計驅(qū)動電路時需要考慮到2-2.5倍的安全系數(shù)，可選IGBT的電壓為1200V。

2)在電路中IGBT導通時需要承受的峰值電流，可以由下面的公式導出：

2.IGBT驅(qū)動器的選擇

在實際電路中，柵極電阻的選擇要考慮開關速度的要求和損耗的大小。柵極電阻也不是越小越好，當柵極電阻很小時，IGBT的CE間電壓尖峰過大 柵極電阻很大時，又會增大開關損耗。所以，選擇IGBT驅(qū)動器時要在尖峰電壓能夠承受的范圍內(nèi)適當減小柵極電阻。由于電路中的雜散電感會引起開關狀態(tài)下電壓和電流的尖峰和振鈴，在實際的驅(qū)動電路中，連線要盡量短，并且驅(qū)動電路和吸收電路應布置在同一個PCB板上，同時在靠近IGBT的GE間加雙向穩(wěn)壓管， 以箝位引起的耦合到柵極的電壓尖峰。

對于大功率IGBT，設計和選擇驅(qū)動基于以下的參數(shù)要求：器件關斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關系見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門極負偏壓則對關斷特性的影響比較大。在門極電路的設計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問題(見下圖)。

3.IGBT驅(qū)動電路的設計

隔離驅(qū)動產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動信號和被驅(qū)動的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產(chǎn)品主要用于IGBT的驅(qū)動，因IGBT具有電流拖尾效應，所以光耦驅(qū)動器無一例外都是負壓關斷。下面我們就以M57962L來為基礎設計相關的驅(qū)動電路!

下圖為M57962L驅(qū)動器的內(nèi)部結(jié)構框圖，采用光耦實現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開關運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻(約185 Ω)，可將5 V的電壓直接加到輸入側(cè)。它采用雙電源驅(qū)動結(jié)構，內(nèi)部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路、過電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，驅(qū)動電信號延遲最大為1.5us。

當單獨用M57962L來驅(qū)動IGBT時。有三點是應該考慮的。首先。驅(qū)動器的最大電流變化率應設置在最小的RG電阻的限制范圍內(nèi)，因為對許多IGBT來講，使用的RG 偏大時，會增大td(on )(導通延遲時間)，t d(off)(截止延遲時間)，tr(上升時間)和開關損耗，在高頻應用(超過5 kHz)時，這種損耗應盡量避免。另外。驅(qū)動器本身的損耗也必須考慮。

如果驅(qū)動器本身損耗過大，會引起驅(qū)動器過熱，致使其損壞。最后，當M57962L被用在驅(qū)動大容量的IGBT時，它的慢關斷將會增大損耗。引起這種現(xiàn)象的原因是通過IGBT的Gres(反向傳輸電容)流到M57962L柵極的電流不能被驅(qū)動器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關斷時間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應用M57962L設計的驅(qū)動電路如下圖。

電路說明：電源去耦電容C2 ～C7采用鋁電解電容器，容量為100 uF/50 V，R1阻值取1 kΩ，R2阻值取1.5kΩ，R3取5.1 kΩ，電源采用正負l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號IN經(jīng)l3腳輸入驅(qū)動器M57962L。雙向穩(wěn)壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V，Z3為30 V，防止IGBT的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅(qū)動電路，二極管采用快恢復的FR107管。

多電路輸出的IGBT驅(qū)動設計

工作原理為：PWM控制芯片輸出的兩路反相PWM 信號經(jīng)元件組成的功率放大電路放大之后，再經(jīng)脈沖變壓器隔離耦合輸出4路驅(qū)動信號。4路驅(qū)動信號根據(jù)觸發(fā)相位分為相位相反的兩組。驅(qū)動信號1與驅(qū)動信號3同相位，驅(qū)動信號2與驅(qū)動信號4同相位。該電路采用脈沖變壓器實現(xiàn)了被控IGBT高電壓主回路與控制回路的可靠隔離，IGBT 的GE間的穩(wěn)壓管用于防止干擾產(chǎn)生過高的UGE而損壞IGBT的控制極。與MOSFET一樣，負偏壓可以防止母線過高du/dt造成門極誤導通。但只要控制好母線電壓瞬態(tài)過沖，可不需要IGBT的負偏壓。此電路中，脈沖變壓器次級接相應電路將驅(qū)動波形的負脈沖截去，大大減少了驅(qū)動電路的功耗。

由于IGBT的開關特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路的變化而變化，因而驅(qū)動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT驅(qū)動電路需要滿足以下要求：

1.提供一定的正向和反向驅(qū)動電壓，使IGBT能可靠地開通和關斷。

2.提供足夠大的瞬時驅(qū)動功率或瞬時驅(qū)動電流，使IGBT能及時迅速地建立柵控電場而導通。

3.具有盡可能小的輸入、輸出延遲時間，以提高工作頻率。

4.足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣。

5.具有靈敏的過電流保護能力。

IGBT驅(qū)動電路設計的趨勢

集成化模塊構成的IGBT柵控電路因其性能可靠、使用方便，從而得到了普遍應用，也是驅(qū)動電路的發(fā)展方向。各大公司均有不同系列的IGBT驅(qū)動模塊，其基本功能類似，各項控制性能也在不斷提高。例如富士公司的EXB系列驅(qū)動模塊內(nèi)部帶有光耦合器件和過電流保護電路，它的功能如下圖所示。

EXB系列驅(qū)動模塊與IGBT之間的外部接口電路如下圖所示。驅(qū)動信號經(jīng)過外接晶體管的放大，由管腳14和管腳15輸入模塊。過電流保護信號由測量反映元件電流大小的通態(tài)電壓vCE 得出，再經(jīng)過外接的光耦器件輸出，過電流時使IGBT立即關斷。二只33uF的外接電容器用于吸收因電源接線所引起的供電電壓的變化。管腳1和管腳3的引線分別接到IGBT的發(fā)射極E和門極G，引線要盡量短，并且應采用絞合線，以減少對柵極信號得到干擾。圖中D為快速恢復二極管。

由于IGBT在發(fā)生短路后是不允許過快地關斷，因為此時短路電流已相當大，如果立即過快關斷會造成很大的di/dt，這在線路分布電感的作用下會在IGBT上產(chǎn)生過高的沖擊電壓，極易損壞元件。所以在發(fā)生短路后，首先應通過減小柵極正偏置電壓，使短路電流得以抑制，接著再關斷IGBT，這就是所謂“慢關斷技術”，這一功能在某些公司生產(chǎn)的模塊中已有應用。