淺析IGBT門級驅動

    絕緣柵雙極晶體管IGBT是第三代電力電子器件，安全工作，它集功率晶體管GTR和功率場效應管MOSFET的優點於一身，具有易於驅動、峰值電流容量大、自關斷、開關頻率高(10-40 kHz)的特點，是目前發展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應用於小體積、高效率的變頻電源、電機調速、UPS及逆變焊機當中。IGBT的驅動和保護是其應用中的關鍵技術。在此根據長期使用IGBT的經驗並參考有關文獻對IGBT的門極驅動問題做了一些總結，希望對廣大IGBT應用人員有一定的幫助。

1 IGBT門極驅動要求
1.1 柵極驅動電壓
  因IGBT柵極-發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行驅動，但IGBT的輸入電容較MOSFET大，所以IGBT的驅動偏壓應比MOSFET驅動所需偏壓強。圖1是一個典型的例子。在+20℃情況下，實測60 A，1200 V以下的IGBT開通電壓閥值為5～6 V，在實際使用時，為獲得最小導通壓降，應選取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，當Uge增加時，導通時集射電壓Uce將減小，開通損耗隨之減小，但在負載短路過程中Uge增加，集電極電流Ic也將隨之增加，使得IGBT能承受短路損壞的脈寬變窄，因此Ugc的選擇不應太大，這足以使IGBT完全飽和，同時也限制了短路電流及其所帶來的應力(在具有短路工作過程的設備中，如在電機中使用IGBT時，+Uge在滿足要求的情況下盡量選取最小值，以提高其耐短路能力)。
 

1.2 對電源的要求
  對於全橋或半橋電路來說，上下管的驅動電源要相互隔離，由於IGBT是電壓控制器件，所需要的驅動功率很小，主要是對其內部幾百至幾千皮法的輸入電容的充放電，要求能提供較大的瞬時電流，要使IGBT迅速關斷，應盡量減小電源的內阻，並且為防止IGBT關斷時產生的du/dt誤使IGBT導通，應加上一個-5 V的關柵電壓，以確保其完全可靠的關斷(過大的反向電壓會造成IGBT柵射反向擊穿，一般為-2～10 V之間)。

1.3 對驅動波形的要求
    從減小損耗角度講，門極驅動電壓脈衝的上升沿和下降沿要盡量陡峭，前沿很陡的門極電壓使IGBT快速開通，達到飽和的時間很短，因此可以降低開通損耗，同理，在IGBT關斷時，陡峭的下降沿可以縮短關斷時間，從而減小了關斷損耗，發熱量降低。但在實際使用中，過快的開通和關斷在大電感負載情況下反而是不利的。因為在這種情況下，IGBT過快的開通與關斷將在電路中產生頻率很高、幅值很大、脈寬很窄的尖峰電壓Ldi/dt，並且這種尖峰很難被吸收掉。此電壓有可能會造成IGBT或其他元器件被過壓擊穿而損壞。所以在選擇驅動波形的上升和下降速度時，應根據電路中元件的耐壓能力及du/dt吸收電路性能綜合考慮。

1.4 對驅動功率的要求
    由於IGBT的開關過程需要消耗一定的電源功率，最小峰值電流可由下式求出：
    I_GP=△U_ge/R_G+R_g；
式中△Uge=+Uge+|Uge|；RG是IGBT內部電阻；Rg是柵極電阻。
    驅動電源的平均功率為：
    P_AV=C_ge△Uge²f,
式中．f為開關頻率；Cge為柵極電容。

1.5柵極電阻
    為改變控制脈衝的前後沿陡度和防止震蕩，減小IGBT集電極的電壓尖峰，應在IGBT柵極串上合適的電阻Rg。當Rg增大時，IGBT導通時間延長，損耗發熱加劇；Rg減小時，di/dt增高，可能產生誤導通，使IGBT損壞。應根據IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關頻率來選取Rg的數值。通常在幾歐至幾十歐之間(在具體應用中，還應根據實際情況予以適當調整)。另外為防止門極開路或門極損壞時主電路加電損壞IGBT，建議在柵射間加入一電阻Rge，阻值為10 kΩ左右。

1.6柵極布線要求
    合理的柵極布線對防止潛在震蕩，減小雜訊干擾，保護IGBT正常工作有很大幫助。
    a．布線時須將驅動器的輸出級和lGBT之間的寄生電感減至最低(把驅動迴路包圍的面積減到最小)；
    b．正確放置柵極驅動板或屏蔽驅動電路，防止功率電路和控制電路之間的耦合；
    c．應使用輔助發射極端子連接驅動電路；
    d．驅動電路輸出不能和IGBT柵極直接相連時，應使用雙絞線連接(2轉／cm)；
    e．柵極保護，箝位元件要盡量靠近柵射極。

1.7隔離問題
    由於功率IGBT在電力電子設備中多用於高壓場合，所以驅動電路必須與整個控制電路在電位上完全隔離，主要的途徑及其優缺點如表1所示。
  

表1 驅動電路與控制電路隔離的途徑及優缺點

	優點	缺點
利用光電耦合器進行隔離	體積小、結構簡單、應用方便、輸出脈寬不受限制，適用於PWM控制器	1、共模干擾抑制不理想 2、響應速度慢，在高頻狀態下應用受限制 3、需要相互隔離的輔助電源
利用脈衝變壓器進行隔離	響應速度快，共模干擾抑制效果好	1、信號傳送的最大脈衝寬度受磁芯飽和特性的限制，通常不大於50％，最小脈寬受磁化電流限制 2、受漏感及集膚影響，加工工藝複雜

2  典型的門極驅動電路介紹
2.1 脈衝變壓器驅動電路
    脈衝變壓器驅動電路如圖2所示，V1～V4組成脈衝變壓器一次側驅動電路，通過控制V1、V4和V2、V3的輪流導通，將驅動脈衝加至變壓器的一次側，二次側通過電阻R1與IGBT5柵極相連，R1、R2防止IGBT5柵極開路並提供充放電迴路，R1上並聯的二極體為加速二極體，用以提高IGBT5的開關速度，穩壓二極體VS1、VS2的作用是限制加在IGBT5g-e端的電壓，避免過高的柵射電壓擊穿柵極。柵射電壓一般不應超過20 V。
 
圖2 脈衝變壓器驅動電路

2.2光耦隔離驅動電路
    光耦隔離驅動電路如圖3所示。由於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PWM控制器輸出的方波信號加在三極體V1的基極，V1驅動光耦將脈衝傳遞至整形放大電路IC1，經IC1放大后驅動由V2、V3組成的對管(V2、V3應選擇β>100的開關管)。對管的輸出經電阻R1驅動IGBT4，R3為柵射結保護電阻，R2與穩壓管VS1構成負偏壓產生電路，VS1通常選用1 W/5.1 V的穩壓管。此電路的特點是只用1組供電就能輸出正負驅動脈衝，使電路比較簡潔。
 
圖3光耦隔離驅動電路
2.3驅動模塊構成的驅動電路
    應用成品驅動模塊電路來驅動IGBT，可以大大提高設備的可靠性，目前市場上可以買到的驅動模塊主要有：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斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號輸出功能。由於這類模塊具有保護功能完善、免調試、可靠性高的優點，所以應用這類模塊驅動IGBT可以縮短產品開發周期，提高產品可靠性。EXB840和M57962很多資料都有介紹，這裡就簡要介紹一下惠普公司的HCPL316J。典型電路如圖4所示。
 
圖4由驅動模塊構成的驅動電路
    HCPL316J可以驅動150 A/1200 V的IGBT，光耦隔離，COMS/TTL電平兼容，過流軟關斷，最大開關速度500 ns，工作電壓15～30 V，欠壓保護。輸出部分為三重複合達林頓管，集電極開路輸出。採用標準SOL-16表面貼裝。
    HCPL316J輸入、輸出部分各自排列在集成電路的兩邊，由PWM電路產生的控制信號加在316j的第1腳，輸入部分需要1個5 V電源，RESET腳低電平有效，故障信號輸出由第6腳送至PWM的關閉端，在發生過流情況時及時關閉PWM輸出。輸出部分採用+15 V和-5 V雙電源供電，用於產生正負脈衝輸出，14腳為過流檢測端，通過二極體VDDESAT檢測IGBT集電極電壓，在IGBT導通時，如果集電極電壓超過7 V，則認為是發生了過流現象，HCPL316J慢速關斷IGBT，同時由第6腳送出過流信號。

3 結語
    通過對IGBT門極驅動特點的分析及典型應用電路的介紹，使大家對IGBT的應用有一定的了解。可作為設計IGBT驅動電路的參考。