IGBT驅(qū)動(dòng)電路作用與設(shè)計(jì)詳解

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用

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

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)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(dǎo)出：

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)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(dǎo)通時(shí)需要承受的峰值電流，可以由下面的公式導(dǎo)出：

2.IGBT驅(qū)動(dòng)器的選擇

在實(shí)際電路中，柵極電阻的選擇要考慮開關(guān)速度的要求和損耗的大小。柵極電阻也不是越小越好，當(dāng)柵極電阻很小時(shí)，IGBT的CE間電壓尖峰過大 柵極電阻很大時(shí)，又會(huì)增大開關(guān)損耗。所以，選擇IGBT驅(qū)動(dòng)器時(shí)要在尖峰電壓能夠承受的范圍內(nèi)適當(dāng)減小柵極電阻。由于電路中的雜散電感會(huì)引起開關(guān)狀態(tài)下電壓和電流的尖峰和振鈴，在實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路中，連線要盡量短，并且驅(qū)動(dòng)電路和吸收電路應(yīng)布置在同一個(gè)PCB板上，同時(shí)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(duì)于大功率IGBT，設(shè)計(jì)和選擇驅(qū)動(dòng)基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)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(fù)偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)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(dòng)條件與器件特性的關(guān)系見表1。柵極正電壓 的變化對(duì)IGBT的開通特性、負(fù)載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門極負(fù)偏壓則對(duì)關(guān)斷特性的影響比較大。在門極電路的設(shè)計(jì)中，還要注意開通特性、負(fù)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)

隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)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(dòng)，因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，所以光耦驅(qū)動(dòng)器無一例外都是負(fù)壓關(guān)斷。下面我們就以M57962L來為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路!

下圖為M57962L驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開關(guān)運(yùn)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(dòng)結(jié)構(gòu)，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(hù)電路、過電流保護(hù)輸出信號(hào)端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，驅(qū)動(dòng)電信號(hào)延遲最大為1.5us。

當(dāng)單獨(dú)用M57962L來驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)。有三點(diǎn)是應(yīng)該考慮的。首先。驅(qū)動(dòng)器的最大電流變化率應(yīng)設(shè)置在最小的RG電阻的限制范圍內(nèi)，因?yàn)閷?duì)許多IGBT來講，使用的RG 偏大時(shí)，會(huì)增大td(on )(導(dǎo)通延遲時(shí)間)，t d(off)(截止延遲時(shí)間)，tr(上升時(shí)間)和開關(guān)損耗，在高頻應(yīng)用(超過5 kHz)時(shí)，這種損耗應(yīng)盡量避免。另外。驅(qū)動(dòng)器本身的損耗也必須考慮。

如果驅(qū)動(dòng)器本身損耗過大，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器過熱，致使其損壞。最后，當(dāng)M57962L被用在驅(qū)動(dòng)大容量的IGBT時(shí)，它的慢關(guān)斷將會(huì)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(dòng)器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關(guān)斷時(shí)間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應(yīng)用M57962L設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)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(fù)l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號(hào)IN經(jīng)l3腳輸入驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，二極管采用快恢復(fù)的FR107管。

多電路輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

工作原理為：PWM控制芯片輸出的兩路反相PWM 信號(hào)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(dòng)信號(hào)。4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)根據(jù)觸發(fā)相位分為相位相反的兩組。驅(qū)動(dòng)信號(hào)1與驅(qū)動(dòng)信號(hào)3同相位，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2與驅(qū)動(dòng)信號(hào)4同相位。該電路采用脈沖變壓器實(shí)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(fù)偏壓可以防止母線過高du/dt造成門極誤導(dǎo)通。但只要控制好母線電壓瞬態(tài)過沖，可不需要IGBT的負(fù)偏壓。此電路中，脈沖變壓器次級(jí)接相應(yīng)電路將驅(qū)動(dòng)波形的負(fù)脈沖截去，大大減少了驅(qū)動(dòng)電路的功耗。

由于IGBT的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化，因而驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路需要滿足以下要求：

1.提供一定的正向和反向驅(qū)動(dòng)電壓，使IGBT能可靠地開通和關(guān)斷。

2.提供足夠大的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)功率或瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流，使IGBT能及時(shí)迅速地建立柵控電場而導(dǎo)通。

3.具有盡可能小的輸入、輸出延遲時(shí)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(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣。

5.具有靈敏的過電流保護(hù)能力。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的趨勢

集成化模塊構(gòu)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(yīng)用，也是驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展方向。各大公司均有不同系列的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，其基本功能類似，各項(xiàng)控制性能也在不斷提高。例如富士公司的EXB系列驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部帶有光耦合器件和過電流保護(hù)電路，它的功能如下圖所示。

EXB系列驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT之間的外部接口電路如下圖所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hù)信號(hào)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(shí)使IGBT立即關(guān)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(yīng)采用絞合線，以減少對(duì)柵極信號(hào)得到干擾。圖中D為快速恢復(fù)二極管。

由于IGBT在發(fā)生短路后是不允許過快地關(guān)斷，因?yàn)榇藭r(shí)短路電流已相當(dāng)大，如果立即過快關(guān)斷會(huì)造成很大的di/dt，這在線路分布電感的作用下會(huì)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(yīng)通過減小柵極正偏置電壓，使短路電流得以抑制，接著再關(guān)斷IGBT，這就是所謂“慢關(guān)斷技術(shù)”，這一功能在某些公司生產(chǎn)的模塊中已有應(yīng)用。