一種大功率IGBT模塊驅動電路設計

王佳軍，陳息坤，顧雋楠，李?，?，孫 澤

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444)

0 引 言

20世紀80年代中期出現了將絕緣柵型場效應管(MOSFET)和電力三極晶體管(BJT)通斷機制相結合的新一代半導體電力開關器件——絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)。IGBT是一種復合器件，它的輸入控制部分為MOSFET，輸出級為BJT，因此具有高輸入阻抗、電壓控制、驅動功率小、開關速度快等優點[1]，近年來不斷應用于新能源發電以及變頻整流等領域。

目前，國內外各大公司已有大量對于IGBT及其驅動電路的相關研究設計[2-9]。為實現IGBT正確的導通關斷以及功率電路的安全穩定運行，驅動電路的正確設計必不可少。驅動電路輸入輸出的延時以及驅動電壓和驅動功率等性能對于IGBT能否正常工作有著密切的影響，不僅要實現功率器件正常開通關斷，同時也需要可靠的保護電路以便于在故障狀態下可靠地關閉系統。

德州儀器推出的多款隔離型柵極驅動器，如UC21270_Q1、UCC21273_Q1等，可以幫助設計師開發出體積更小的逆變器以及充電裝置；瑞士CONCEPT公司的SCALE系列驅動器較為廣泛地應用在大功率場合，其采用獨創的專用集成電路驅動芯片組；德國英飛凌公司2ED020I12系列等在不同應用場景有著極高的可靠性和安全性[2]；安森美半導體的FOD3120是2.5 A輸出電流門的驅動光電耦合器，采用飛兆半導體專有的共面封裝技術，具有高抗干擾、高共模抑制的特點[11-12]；青銅劍公司的驅動器采用高可靠、高集成度的IGBT驅動技術，能安全可靠地驅動IGBT。這些國內外公司制造的驅動模塊往往依據本公司產品研發設計，成本價格方面各有不同。因此，設計一款性能良好、經濟實惠的IGBT驅動器具有重要的意義。

本文在滿足IGBT驅動電路設計要求的基礎上，基于英飛凌公司的2ED020I12-F2，設計了一款大功率IGBT模塊驅動電路。2ED020I12-F2驅動芯片峰值輸出電流2 A，在驅動一些大功率IGBT模塊時達不到驅動能力的要求，因此增加了周邊放大電路，同時設計了低壓反激電源完成隔離電源供給，并且將光纖傳輸技術用在該驅動電路中，防止驅動信號在傳輸過程中的干擾。最后，通過實驗驗證了該驅動電路的合理性和正確性。

1 IGBT驅動參數計算

1.1 IGBT驅動功率計算

IGBT為電壓式驅動器，IGBT的等效模型如圖1所示，其在門極與發射極、門極與集電極之間均存在等效電容。因此，可以等效為一個脈沖電壓源對RC電路進行充放電的模型，我們需要知道的是其脈沖電壓源功率及峰值電流。

圖1 IGBT等效電路

IGBT作為一種復合型器件，它的輸入控制部分為MOSFET，在柵極G和發射極E之間外加足夠的正向電壓使其完全飽和。根據相應的產品手冊，其柵極一般選擇在+15 V左右，可以快速有效地開通IGBT模塊。一旦撤除柵極電壓或者施加一個反壓(一般在-5 V～-15 V之間)，IGBT模塊將從通態轉入斷態。

IGBT開通和關斷過程中，在驅動電阻以及功率器件組成的回路中產生了一些損耗，稱其為驅動功率Pdrive。驅動功率與IGBT的柵極電荷量Qgate、開關頻率f以及柵極驅動正負電壓差值ΔU有關，其計算過程如下：

Pdrive=f×Qgate×ΔU

(1)

一般情況下柵極電荷量Qgate可以從所選IGBT產品手冊獲取。

柵極的充放電是沒有能量損失的，因此該驅動功率消耗在驅動電阻以及外部電路上。

1.2 柵極電阻RG

柵極電阻的主要作用：

(1)消除振蕩：由圖1可知，IGBT柵極發射極之間存在等效電容，系統回路之間會存在寄生電感，因此在正常工作情況下會產生強烈振蕩，為減輕或消除振蕩，必須在柵極串入一定阻值的電阻。

(2)轉移驅動器的功率損耗：IGBT模塊的驅動功率大部分消耗在驅動器的輸出管上，這會產生較高溫升，因此柵極電阻可以有效地轉移驅動器的功率損耗。

(3)調節IGBT開關速度：柵極電阻小，器件開關速度快，開關損耗小;柵極電阻大，器件開關速度慢，開關損耗大。但開關速度過快會導致電壓電流變化率大幅度提高，從而產生較大干擾。

因此，選擇合適大小的柵極電阻非常重要。在實際驅動電路設計時，根據具體驅動IGBT器件的不同，調整相應的阻值，以達到最優驅動效果。

1.3 驅動電流計算

驅動器的最大輸出電流IGmax必須要大于實際柵極驅動電流，驅動器最大輸出電流越大，則開關管電容充電時間越短，但不宜選取過大的輸出電流，其計算公式如下：

(2)

式中：RG和RGint分別是柵極電阻以及IGBT內部等效柵極電阻。

1.4 外部放大電路參數計算

由于2ED020I12-F2輸出峰值電流為2 A，在實際應用場景中驅動大功率IGBT器件較為困難。如圖2所示，采用額外的外部放大電路可以將其輸出電流擴大。此時，2ED020I12-F2將作為控制器，外部放大推挽電路由分立的NPN/PNP互補輸出級構成，NPN/PNP晶體管須滿足較快的開關速度以及足夠大電流增益。

圖2 外部放大電路

由上述可知，晶體管峰值集電極電流ICM應該大于實際柵極驅動電流:

(3)

在連接外部放大電路后，驅動器的損耗為電源到IGBT柵極消耗的功率即放大晶體管功率以及柵極電阻消耗的功率兩部分。因此可以得知放大晶體管功率計算公式:

(4)

在使用外部放大電路時，驅動芯片的輸出電流會大幅度減小，因此在實際應用場合要根據放大晶體管的增益hFE調節基極電阻器RB。最小基極電阻計算如下：

(5)

式中：Iout為驅動芯片輸出最大峰值電流。

2 2ED020I12-F2介紹

2.1 芯片特點與驅動性能

2ED020I12-F2是英飛凌公司的一款采用無芯變壓器隔離的雙通道隔離式IGBT驅動器，主要用于600 V/1 200 V電壓等級的IGBT，電流能力為2 A軌至軌輸出，同時具有飽和壓降檢測以及有源米勒鉗制等一些保護功能。具有兩路獨立輸出、集成保護功能以及占地面積小等優點，被廣泛應用于交流和無刷直流電機驅動、高壓DC/DC轉換器以及UPS系統等。

2.2 芯片內部與外部保護功能

2ED020I12-F2芯片設有多種內部以及外部保護功能，用以確保驅動電路正確可靠運行。主要保護功能如下：

(1)欠壓鎖定功能(UVLO)：當供電電壓低于內部限電壓13 V時，芯片會自動停止工作，并處于鎖死狀態。若芯片的供電電壓正常，芯片READY引腳輸出高電平，否則READY引腳置低。

(2)去飽和保護：確保在IGBT短路時對其進行保護。在IGBT正常工作情況下，DESAT電壓上升到9 V時，檢測到IGBT發生短路，輸出被驅動為低電平，同時FAULT被激活輸出低電平。

(3)米勒鉗位保護：2ED020I12-F2內部存在開關管，當檢測到門極電壓UGE大于2 V時，內部開關管打開提供一路通道，確保CGE貯存的電荷快速釋放，可以有效消除米勒效應。

(4)短路鉗制保護：在短路期間，由于米勒電容CGC存在，IGBT的柵極電壓上升，為防止上升到開啟電壓，外部附加保護電路加在OUTXX和CLAMPXX引腳間對其電壓進行鉗位。

3 光纖隔離驅動及系統供電設計

3.1 光纖隔離驅動設計

在大功率應用場景，高壓大電流會帶來一定的電磁兼容問題，影響系統的穩定運行。傳統的隔離方式如變壓器隔離以及光耦隔離等適用于中小功率，在大功率場合顯得抗干擾能力不足，因此往往采用光纖傳輸驅動信號的方式。光纖傳輸的原理與光耦隔離相似，即通過光來傳輸驅動信號，因此可以有效地防止電磁干擾，適用于遠距離傳輸，提高了驅動的可靠性。

本驅動電路實驗設計的光纖隔離驅動如圖3所示，包括控制器、光纖收發器、光纖以及驅動器等4部分。

圖3 光纖隔離驅動原理框圖

本驅動電路設計中光纖收發器選用的是安高華(AVAGO)公司的產品HFBR-1521和HFBR-2521系列。該系列內部為一電流驅動型LED，當有電流流經LED時，光纖被點亮，信號得以傳輸；當沒有電流流經LED時，光纖熄滅。在光纖接收器電路端，因為存在邏輯反向，所以驅動信號輸出側接反相器，既有復原信號，又有整形和放大信號的作用。光纖接收器和光纖發送器的驅動電路如圖4、圖5所示。

圖4 光纖發送器電路

圖5 光纖接收器電路

3.2 驅動電路供電設計

由于2ED020I12-F2輸入供電電壓為+5 V，輸出側供電選擇雙電源供電，分別為兩路相互獨立的+15 V/-5 V雙極性電源，同時光纖收發器供電也為+5 V。為此在滿足供電電壓標準以及隔離供電的條件上設計反激電路給驅動電路隔離供電。該反激電源采用UC3842芯片對其進行閉環控制，輸入電壓為+36 V，輸出電壓為分別為+5 V以及兩路+15 V和-5 V。

4 實驗結果

為測試該驅動電路設計的可靠性，將其應用于英飛凌公司的IGBT模塊FF300R12KT4P，并搭建簡單的電路以驗證其驅動正確性，觀察其隔離電源供電、輸入輸出延時、驅動電壓等性能。其驅動板實物如圖6所示。

圖6 驅動器實物圖

圖7～圖9分別為驅動器反激供電電源+5 V、+15 V和-5 V供電波形。由圖7～圖9可知，該反激電源在供電隔離的情況下，供電質量較好。將示波器設置到直流檔可以測出輸出電壓穩定在+5 V、+15 V和-5 V。經長時間考核后發現該輔助電源能有效地給光纖收發器以及2ED020I12-F2供電。

圖7 +5 V輸出電壓波形

圖8 +15 V輸出電壓波形

圖9 -5 V輸出電壓波形

圖10～圖12分別為控制器輸出到驅動板輸出驅動波形、控制器輸出到驅動板輸出開通延時、控制器輸出到驅動板輸出關斷延時。通過實驗結果可以發現，該驅動電路在保證放大驅動能力的同時驅動延時在300 ns左右，因此可以有效地開通關斷大功率IGBT。

圖10 控制器輸出到驅動板輸出驅動波形

圖11 控制器輸出到驅動板輸出開通延時

圖12 控制器輸出到驅動板輸出關斷延時

5 結 語

IGBT驅動電路的可靠性決定了系統能否正常運行，大功率場合往往需要驅動電路具有足夠的驅動能力。本文在基于2ED020I12-F2驅動芯片的基礎上，設計并制作了一款可應用于大功率場合的IGBT模塊驅動電路，同時在此基礎上設計光纖傳輸技術傳輸驅動信號以及反激電源對驅動電路隔離供電，最終通過實驗驗證了其驅動可靠性與安全性，具有較好的效果。