一種新型實用的 IGBT 驅(qū)動電路

摘要：在分析了IGBT 驅(qū)動條件的基礎(chǔ)上介紹了幾種常見的 IGBT 驅(qū)動電路，并給出了各自的優(yōu)缺點。給出了自行設(shè)計的一種簡單、實用的新型IGBT 驅(qū)動電路。經(jīng)實踐表明，該電路經(jīng)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(yīng)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。由于IGBT 內(nèi)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(fā)展起來的一種新型復(fù)合器件。由于它將MOSFET 和GTR 的優(yōu)點集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又有通態(tài)電壓低耐壓高的優(yōu)點，因此發(fā)展很快，倍受歡迎，在電機驅(qū)動、中頻和開關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有取代MOSFET和GTR 的趨勢。但在IGBT 實際應(yīng)用中一個要重點考慮的問題是其柵極驅(qū)動電路設(shè)計的合理與否，在此我們自行設(shè)計了一種簡單爾實用的驅(qū)動電路，并取得了很好的效果。

2 IGBT 的驅(qū)動條件

IGBT 的驅(qū)動條件與它的靜態(tài)和動態(tài)特性密切相關(guān)。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(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dVCE/dt等參數(shù)都有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系如表1 所示。

表1 門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系

1、 正偏壓+VGE 的影響

當(dāng)VGS 增加時，通態(tài)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 增加到一定程度之后對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(qū)動條件，它直接影響IGBT 的可靠運行。雖然-VGE 對關(guān)斷能耗沒有顯著影響，擔(dān)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(fā)生不可控的擎住現(xiàn)象。

3、 門極電阻RG 的影響

門極電阻增加，使IGBT 的開通與關(guān)斷能耗均增加，門極電阻減小又使di/dt 增大，可能引發(fā)IGBT 誤導(dǎo)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(guān)斷，其驅(qū)動電路必須滿足一下條件：

由于是容性輸入阻抗，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回路。

門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12—15V，負偏壓-2—-10V。

驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。

門極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，具有對IGBT 的自保護功能，并有較強的抗干擾能力。

3 常見的IGBT 驅(qū)動電路

1、采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動IGBT

電路如圖1 所示，這種電路結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用了廉價的脈沖變壓器實現(xiàn)IGBT 主電路與控制電路的隔離。其性能的好壞取決于脈沖變壓器的制作，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏感抗，并采用高鐵氧體鐵心，最高工作頻率可達40KHz。

2、采用光耦合器及CMOS 驅(qū)動IGBT

電路圖如圖2 所示，該電路自身帶過流保護功能，光耦合器將脈沖控制電路與驅(qū)動電路隔離，4011 的四個與非門并聯(lián)工作提高了驅(qū)動能力，互補晶體管V1、V2 降低驅(qū)動電路阻抗，通過R1、C1 與R2、C2 獲得不同的正、反向驅(qū)動電壓，以滿足各種IGBT 對柵極驅(qū)動電壓的要求。該電路由于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，并受到限制。

3、 用專用混合集成驅(qū)動電路

目前，國外很多生產(chǎn)IGBT 器件的公司，為了解決IGBT 驅(qū)動的可靠性問題，紛紛推出IGBT專用驅(qū)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(qū)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(xiàn)IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，但一般價格比較昂貴，對于普通用戶很難接受。

4 新型實用驅(qū)動電路

該電路具有以下特點：

該電路能夠產(chǎn)生+15V 和-5V 電壓，保證了IGBT 的可靠導(dǎo)通與關(guān)斷。

該電路采用高速光耦實現(xiàn)了控制電路與主電路的隔離。

該電路具有IGBT 過電流保護功能，能夠有效的保護IGBT。

該電路采用推挽式輸出方式，從而降低了驅(qū)動電路的輸出阻抗。

適用于多種型號IGBT 的可靠驅(qū)動。

電路圖如圖3 所示，采用由高速光耦H11L1、NPN 和PNP 型三極管組成推挽式輸出電路。變壓器副邊輸出交流18V 電壓，經(jīng)整流橋變成直流，470uF/50V 的電容濾波，作為IGBT 驅(qū)動電路的工作電壓。當(dāng)IGBT 的電流小于設(shè)定過電流信號的時候，比較器負輸入端電壓小于正輸入端設(shè)定的電壓值，此時比較器輸出高電平。當(dāng)IGBT 的電流大于設(shè)定過電流信號的時候，比較器負輸入端電壓大于正輸入端設(shè)定的電壓值，此時比較器輸出低電平。當(dāng)比較器輸出信號與控制信號相與后送到高速光耦合器。正常情況下比較器輸出高電平，當(dāng)控制信號位高電平時，與門輸出高電平使光耦合器導(dǎo)通，晶體管N1 基極沒有電流而關(guān)斷，此時電流可經(jīng)R3、N2 的基射極、R6、Z3、Z4、Z2 形成三極管N2 的基極電流，N2 開通，由于Z2 是15V 穩(wěn)壓管，輸出電壓嵌位在+15V，驅(qū)動IGBT 導(dǎo)通;反之，黨控制脈沖信號為低電平時，與門輸出低電平使光耦合器截止，三極管N1 存在極基電流而導(dǎo)通，N1 的集電極電壓變低，N2截止，電流經(jīng)R4、Z4、R6、P1、N1 形成P1 管的極基電流，P1 導(dǎo)通，輸出電壓鉗位在-5V，使IGBT 關(guān)斷。當(dāng)IGBT 處于過電流狀態(tài)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(qū)動電路一直輸出-5V 電壓而使IGBT 一直處于關(guān)斷狀態(tài)，從而對IGBT 的過電流進行了有效的保護。

5 結(jié)論

該IGBT 驅(qū)動電路簡單、實用，經(jīng)我們長期的實驗證明，該電路經(jīng)濟、實用、安全、可靠普遍適用于各種型號的IGBT，為普通的IGBT 用戶節(jié)省資金的情況下帶來了很大的方便。具有很大的應(yīng)用前景。

參考文獻

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