一種新型實用的IGBT 驅動電路

摘要：在分析了IGBT 驅動條件的基礎上介紹了幾種常見的 IGBT 驅動電路，並給出了各自的優缺點。給出了自行設計的一種簡單、實用的新型IGBT 驅動電路。經實踐表明，該電路經濟、實用、安全、可靠，同時具有IGBT 過電流保護功能，具有很好的應用前景。

1 引言
         絕緣門極雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor）簡稱IGBT。也稱絕緣門極晶體管。由於IGBT 內具有寄生晶閘管，所以也可稱作為絕緣門極晶閘管，它是八十年代中期發展起來的一種新型複合器件。由於它將MOSFET 和GTR 的優點集於一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點，又有通態電壓低耐壓高的優點，因此發展很快，倍受歡迎，在電機驅動、中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域，IGBT有取代MOSFET和GTR 的趨勢。但在IGBT 實際應用中一個要重點考慮的問題是其柵極驅動電路設計的合理與否，在此我們自行設計了一種簡單爾實用的驅動電路，並取得了很好的效果。

2 IGBT 的驅動條件
         IGBT 的驅動條件與它的靜態和動態特性密切相關。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓-VGE 和柵極電阻RG 的大小，對IGBT 的通態電壓、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dVCE/dt等參數都有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關係如表1 所示。
表1 門極驅動條件與器件特性的關係
 

1、 正偏壓+VGE 的影響
當VGS 增加時，通態電壓下降，IGBT 的開通能量損耗下降，但是VGE 不能隨意增加，因為VGE 增加到一定程度之後對IGBT 的負載短路能力及dVCE/dt 電流有不利影響。
2、 負偏壓-VGE 的影響
負偏壓也是很重要的門極驅動條件，它直接影響IGBT 的可靠運行。雖然-VGE 對關斷能耗沒有顯著影響，擔負偏壓的增高會使漏極浪涌電流明顯下降，從而避免過大的漏極浪涌電流使IGBT 發生不可控的擎住現象。
3、 門極電阻RG 的影響
門極電阻增加，使IGBT 的開通與關斷能耗均增加，門極電阻減小又使di/dt 增大，可能引發IGBT 誤導通，同時RG 上的能耗也有所增加。所以通常RG 一般取十幾歐到幾百歐之間。
因此，為了使IGBT 能夠安全可靠得到通和關斷，其驅動電路必須滿足一下條件：

1. 由於是容性輸入阻抗，IGBT 對門極電荷集聚很敏感，因此要保證有一條低阻抗值得放電迴路。
2. 門極電路中的正偏壓應為+12—15V，負偏壓-2—-10V。
3.  驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離。
4. 門極驅動電路應儘可能簡單實用，具有對IGBT 的自保護功能，並有較強的抗干擾能力。

3 常見的IGBT 驅動電路
1、採用脈衝變壓器隔離驅動IGBT
       電路如圖1 所示，這種電路結構簡單，應用了廉價的脈衝變壓器實現IGBT 主電路與控制電路的隔離。其性能的好壞取決於脈衝變壓器的製作，應盡量減小脈衝變壓器的漏感抗，並採用高鐵氧體鐵心，最高工作頻率可達40KHz。
 
2、採用光耦合器及CMOS 驅動IGBT
       電路圖如圖2 所示，該電路自身帶過流保護功能，光耦合器將脈衝控制電路與驅動電路隔離，4011 的四個與非門並聯工作提高了驅動能力，互補晶體管V1、V2 降低驅動電路阻抗，通過R1、C1 與R2、C2 獲得不同的正、反向驅動電壓，以滿足各種IGBT 對柵極驅動電壓的要求。該電路由於受光耦合器傳輸速度的影響，其工作頻率不能太高，同時受4011 型CMOS電路最高工作電壓的限制，使+VGE 和-VGE 的幅值相互牽制，並受到限制。
 
3、 用專用混合集成驅動電路
        目前，國外很多生產IGBT 器件的公司，為了解決IGBT 驅動的可靠性問題，紛紛推出IGBT專用驅動電路，如美國MOTOROLA 公司的MPD 系列、日本東芝公司的KT 系列、日本富士公司的EXB 系列等。這些驅動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現IGBT 的最優驅動，但一般價格比較昂貴，對於普通用戶很難接受。

4 新型實用驅動電路
該電路具有以下特點：

1. 該電路能夠產生+15V 和-5V 電壓，保證了IGBT 的可靠導通與關斷。
2. 該電路採用高速光耦實現了控制電路與主電路的隔離。
3. 該電路具有IGBT 過電流保護功能，能夠有效的保護IGBT。
4. 該電路採用推挽式輸出方式，從而降低了驅動電路的輸出阻抗。
5. 適用於多種型號IGBT 的可靠驅動。

       電路圖如圖3 所示，採用由高速光耦H11L1、NPN 和PNP 型三極體組成推挽式輸出電路。變壓器副邊輸出交流18V 電壓，經整流橋變成直流，470uF/50V 的電容濾波，作為IGBT 驅動電路的工作電壓。當IGBT 的電流小於設定過電流信號的時候，比較器負輸入端電壓小於正輸入端設定的電壓值，此時比較器輸出高電平。當IGBT 的電流大於設定過電流信號的時候，比較器負輸入端電壓大於正輸入端設定的電壓值，此時比較器輸出低電平。當比較器輸出信號與控制信號相與後送到高速光耦合器。正常情況下比較器輸出高電平，當控制信號位高電平時，與門輸出高電平使光耦合器導通，晶體管N1 基極沒有電流而關斷，此時電流可經R3、N2 的基射極、R6、Z3、Z4、Z2 形成三極體N2 的基極電流，N2 開通，由於Z2 是15V 穩壓管，輸出電壓嵌位在+15V，驅動IGBT 導通；反之，黨控制脈衝信號為低電平時，與門輸出低電平使光耦合器截止，三極體N1 存在極基電流而導通，N1 的集電極電壓變低，N2截止，電流經R4、Z4、R6、P1、N1 形成P1 管的極基電流，P1 導通，輸出電壓鉗位在-5V，使IGBT 關斷。當IGBT 處於過電流狀態時，比較器輸出低電平，此時無論控制信號位高電平還是低電平，與門始終輸出低電平，由以上可知此時驅動電路一直輸出-5V 電壓而使IGBT 一直處於關斷狀態，從而對IGBT 的過電流進行了有效的保護。

5 結論
       該IGBT 驅動電路簡單、實用，經我們長期的實驗證明，該電路經濟、實用、安全、可靠普遍適用於各種型號的IGBT，為普通的IGBT 用戶節省資金的情況下帶來了很大的方便。具有很大的應用前景。

參考文獻
1、 李序葆 趙永建 電力電子器件及其應用 1996
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