IGBT的驅(qū)動保護(hù)電路

于德江 王端 楊帆

【摘要】本文介紹了IGBT門極驅(qū)動保護(hù)電路的分類，分析了IGBT驅(qū)動保護(hù)電路的發(fā)展趨勢，對常用IGBT驅(qū)動器如光耦隔離型、變壓器隔離型等典型電路進(jìn)行了分析，并將市場上常用廠家生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動器工作參數(shù)和性能進(jìn)行了比較，結(jié)合對工程實踐中IGBT故障的分析，討論了選用IGBT驅(qū)動器時的參考原則。

【關(guān)鍵詞】IGBT;驅(qū)動;保護(hù)

ABSTRACT：This article describes the IGBT gate drive circuit protection classification，analysis of the trends of the IGBT driver protection circuit，common IGBT drive optocoupler isolated，transformer isolated typical circuit analysis，and common market manufacturers. IGBT drive operating parameters and compares the performance analysis on the the IGBT fault in the engineering practice to discuss the principle of selection of IGBT driver reference.

KEY WORDS：IGBT;drive;protection

絕緣門極雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱IGBT）是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是IGBT 良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動電路設(shè)計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應(yīng)用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅(qū)動電路的要求，設(shè)計一種可靠，穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動電路[1]。

1.IGBT驅(qū)動電路特性及可靠性分析

IGBT的門極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓、負(fù)偏壓和門極電阻的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力及電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓的變化對IGBT的開通特性，負(fù)載短路能力和電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓對關(guān)斷特性的影響較大。同時，門極電路設(shè)計中也必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由電流引起的誤觸發(fā)等問題[2-3]。

根據(jù)上述分析，對IGBT驅(qū)動電路提出以下要求和條件：

（1）由于是容性輸出輸出阻抗;因此IBGT對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。

（2）用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅(qū)動源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT 不至退出飽和而損壞。

（3）門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12～+15V;負(fù)偏壓應(yīng)為-2V～-10V。

（4）IGBT驅(qū)動電路中的電阻對工作性能有較大的影響，較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT 的開關(guān)時間和開關(guān)損耗;較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其值較大。

（5）驅(qū)動電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的 G～E 極之間不能為開路。

2.IGBT驅(qū)動電路分類

根據(jù)IGBT的靜態(tài)特性、開關(guān)暫態(tài)特性并考慮其允許的安全工作區(qū)，IGBT工作時門極驅(qū)動保護(hù)電路應(yīng)滿足如下基本要求：提供足夠的柵極電壓來開通IGBT，并在開通期間保持這個電壓;在最初開通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動電流來減少開通損耗和保證IGBT的開通速度;在關(guān)斷期間，提供一個反向偏置電壓來提高IGBT抗暫態(tài)的能力和抗EMI噪聲的能力并減少關(guān)斷損耗;在IGBT功率電路和控制電路之間提供電氣隔離，對IGBT逆變器，一般要求的電氣隔離為2500V以上;在短路故障發(fā)生時，驅(qū)動電路能通過合理的柵極電壓動作進(jìn)行IGBT保護(hù)，并發(fā)出故障信號到控制系統(tǒng)。

2.1 直接驅(qū)動電路

如圖1所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動電路要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源方式，輸入信號經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級，放大級采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT 的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動電路適用于小容量的IGBT。

圖1 IGBT直接驅(qū)動電路

2.2 光電隔離驅(qū)動電路

光耦隔離驅(qū)動電路如圖2所示。由于IGBT是高速器件，所選用的光耦必須是小延時的高速型光耦，由控制器輸出的方波信號加在三極管的基極，驅(qū)動光耦將脈沖傳遞至整形放大電路，經(jīng)放大后驅(qū)動由T1、T2組成的對管。對管的輸出經(jīng)電阻R驅(qū)動IGBT。

圖2 IGBT直接驅(qū)動電路

2.3 變壓器隔離驅(qū)動電路

圖3是IGBT的變壓器隔離驅(qū)動電路。圖中的輔助MOS管是N溝道增強(qiáng)型MOS管，其漏極為D、原極為S、柵極為G。P端有正信號輸入時，變壓器的二次側(cè)電壓VGS經(jīng)二極管D1向IGBT提供開通電壓并給門極/源極結(jié)電容C充電，這時輔助MOS管受反偏（S點為正，G點為負(fù)）而阻斷，阻斷了IGBT門極結(jié)電容C經(jīng)MOS管放電。當(dāng)P端有負(fù)信號輸入，脈沖變壓器二次側(cè)VGS>0，輔助MOS管導(dǎo)通，D、S兩點導(dǎo)通，抽出IGBT門極結(jié)電容C的電荷，使其關(guān)斷。

圖3 IGBT直接驅(qū)動電路

2.4 驅(qū)動模塊構(gòu)成的驅(qū)動電路

應(yīng)用成品驅(qū)動模塊電路來驅(qū)動IGBT，可以大大提高設(shè)備的可靠性，目前市場上可以買到的驅(qū)動模塊主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，惠普的HCPL316J、3120等。這類模塊均具備過流軟關(guān)斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號輸出功能。由于這類模塊具有保護(hù)功能完善、免調(diào)試、可靠性高的優(yōu)點，所以應(yīng)用這類模塊驅(qū)動IGBT可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。下面以三菱的驅(qū)動模塊M57962L為例，說明此類電路的工作原理。

M57962L是由日本三菱電氣公司為驅(qū)動IGBT而設(shè)計的厚膜集成電路。M57962L內(nèi)部集成了退飽和、檢測和保護(hù)單元，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)，但慢關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。它輸出正驅(qū)動電壓+15V，負(fù)驅(qū)動電壓-10V。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復(fù)位電路以及門關(guān)斷電路組成。M57962L是N溝道大功率IGBT模塊的驅(qū)動電路，能驅(qū)動600V/400A和1200V/400A的IGBT。M57962L具有如下特點：

（1）采用快速型光耦合器實現(xiàn)電氣隔離，適合20kHz的高頻開關(guān)運行。光耦合器一次側(cè)已串聯(lián)限流電阻（約185Ω），可將5V的電壓直接加到輸入端，具有較高輸入、輸出隔離度（Uiso=2 500V，有效值）。

（2）采用雙電源供電方式，以確保 IGBT 可靠通斷。如果采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，其輸出負(fù)柵極電壓比較高。電源電壓的極限值為+18V/-15V，般取+15V/-10V。

（3）內(nèi)部集成了短路和過電流保護(hù)電路。M57962L的過電流保護(hù)電路通過檢測 IGBT 的飽和壓降來判斷是否過電流，一旦過電流，M57962L 將對 IGBT實施軟關(guān)斷，并輸出過電流故障信號。

（4）輸入端為TTL門電平，適于單片機(jī)控制。信號傳輸延遲時間短，低電平轉(zhuǎn)換為高電平的傳輸延遲時間以及高電平轉(zhuǎn)換為低電平的傳輸時間都在1.5μs以下。

圖4 觸發(fā)電路總體框圖

采用M57962L驅(qū)動IGBT模塊的實際應(yīng)用電路如圖5所示。供電電源采用雙電源供電方式，正電壓+15V，負(fù)電壓-10V。當(dāng)IGBT模塊過載（過電壓、過電流），集電極電壓上升至15V以上時，隔離二極管VD1截止，模塊M57962L的1腳為15V高電平，則將5腳置為低電平，使IGBT截止，同時將8腳置為低電平，使光耦合器工作，進(jìn)而使得驅(qū)動信號停止;穩(wěn)壓二極管VS1用于防止VD1擊穿而損壞M57962L;R1為限流電阻。VS2、VS3組成限幅器，以確保IGBT的基極不被擊穿。

圖5 觸發(fā)形成電路

3.結(jié)論

通過對IGBT門極驅(qū)動特點的分析及典型應(yīng)用電路的介紹，使大家對IGBT 的應(yīng)用有一定的了解。可作為設(shè)計IGBT驅(qū)動電路的參考。

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