IGBT驅(qū)動電路原理與設(shè)計技巧詳解

本文著重介紹三個IGBT驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動IGBT，保證IGBT的可靠工作，驅(qū)動電路起著至關(guān)重要的作用，對IGBT驅(qū)動電路的基本要求如下：

(1) 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開通和關(guān)斷。

(2) 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通。

(3) 盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率。

(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣。

(5) 具有靈敏的過流保護(hù)能力。

驅(qū)動電路EXB841/840

EXB841 工作原理如圖1，當(dāng)EXB841的14腳和15腳有10mA的電流流過1us以后IGBT正常開通，VCE下降至3V左右，6腳電壓被 鉗制在8V左右，由于VS1穩(wěn)壓值是13V，所以不會被擊穿，V3不導(dǎo)通，E點(diǎn)的電位約為20V，二極管VD截止，不影響V4和V5正常工作。

當(dāng) 14腳和15腳無電流流過，則V1和V2導(dǎo)通，V2的導(dǎo)通使V4截止、V5導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，引腳3電位下降至0V，是 IGBT柵一 射間承受5V左右的負(fù)偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C2的放電使得B點(diǎn)電位為0V，則V S1仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動作，IGBT正常關(guān)斷。

如有過流發(fā)生，IGBT的V CE過大使得VD2截止，使得VS1擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7放電，D點(diǎn)電位下降，從而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低 ，完成慢關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對IGBT的保護(hù)。由EXB841實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的過程可知，EXB841判定過電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE 有關(guān)，還和二極管VD2的導(dǎo)通電壓Vd有關(guān)。

典型接線方法如圖2，使用時注意如下幾點(diǎn)：

a、IGBT柵-射極驅(qū)動回路往返接線不能太長(一般應(yīng)該小于1m)，并且應(yīng)該采用雙絞線接法，防止干擾。

b、由于IGBT集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG有利于其安全工作。但是柵極電阻RG不能太大也不能太小，如果 RG增大，則開通關(guān)斷時間延長，使得開通能耗增加;相反，如果RG太小，則使得di/dt增加，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。

c、圖中電容C用來吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化，并不是電源的供電濾波電容，一般取值為47 F。

d、6腳過電流保護(hù)取樣信號連接端，通過快恢復(fù)二極管接IGBT集電極。

e、14、15接驅(qū)動信號，一般14腳接脈沖形成部分的地，15腳接輸入信號的正端，15端的輸入電流一般應(yīng)該小于20mA，故在15腳前加限流電阻。

f、為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通，在柵射極加穩(wěn)壓二極管。

b、端口VL/Reset

這個端子是用來定義具有施密特性質(zhì)的輸入InA和InB的，使得輸入在2/3VL時開通，在I/3 VL時作為關(guān)斷信號。當(dāng)PWM信號是TTL電平時， 該端子連接如圖3-5所示，當(dāng)輸入InA和InB信號為15V的時候，該端子應(yīng)該通過一個大約1K左右的電阻連接到++15V電源上，這樣開啟和關(guān)斷電壓 分別應(yīng)該是lov和5V。另外，輸入UL/Reset端還有另外的功能：如果其接地，則邏輯驅(qū)動接口單元l.DI001內(nèi)的錯誤信息被清除。

c、門極輸出端

門極輸出Gx端子接電力半導(dǎo)體的門極，當(dāng)SCALE驅(qū)動器用15V供電的時候，門極輸出土15V.負(fù)的門極電壓由驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生。使用如圖3-6 結(jié)構(gòu)的電路可以實(shí)現(xiàn)開通和關(guān)斷的速度的不一樣，增加了用戶使用的靈活性。

d、布局和布線

驅(qū)動器應(yīng)該盡可能近的和功率半導(dǎo)體放在一起，這樣從驅(qū)動器到電力晶體管的引線就會盡可能的短，一般來說驅(qū)動器的連線盡量不要長 過10厘米。同時一般要求到集電極和發(fā)射極的引線采用絞合線，還有可以在IGBT的門極和發(fā)射極之間連接一對齊納穩(wěn)壓二極管(15~18V) 來保護(hù)IGBT不會被擊穿。

驅(qū)動模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地，為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V，信號輸入管腳InA、 InB連 接在一起接收來自單片機(jī)的脈沖信號，進(jìn)行同步控制。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳外接三極管和光耦用來向單片機(jī)輸出兩輸出通道的 工作狀態(tài)，其輸出端結(jié)構(gòu)皆為集電極開路輸出，可以通過外接上拉電阻以適用于各種電平邏輯。 在管腳SO1、SO2和電源之間以及VisoX 和LSX之間加發(fā)光二極管進(jìn)行故障指示。正常情況下SO1和SO2輸出皆為高電平，上電后D3和D4先亮，延時幾秒后熄滅，同時D8和D15發(fā)亮。

當(dāng)檢測到故障信號時，SO1和SO2的輸出電平被拉低到地，即D3和D4發(fā)亮，同時D8和D15閃爍。2SD315A是通過監(jiān)測UCE(sat)來 判斷回路是否 短路和過流，當(dāng)檢測到一路或兩路發(fā)生過流現(xiàn)象時，檢測電路會把異常狀態(tài)回饋到驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊內(nèi)部會產(chǎn)生一個故障信號并將它 鎖存，鎖存時間為1s，在這段時間內(nèi)，驅(qū)動模塊不再輸出信號，而是將兩組IGBT及時關(guān)斷予以保護(hù)。同時，狀態(tài)輸出管腳SO1和SO2的高電平 被拉低，光耦TLP521導(dǎo)通，兩路狀態(tài)信號通過或門74LS32送給單片機(jī)。為防止因關(guān)斷速度太快在IGBT的集電極上產(chǎn)生很高的反電動勢，在門極輸出 端采用如圖所示的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開通和關(guān)斷速度的不同。開通時門極電阻為3.4Ω，關(guān)斷時電阻為6.8Ω，二極管采用快恢 復(fù)型，這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。

IGBT短路失效機(jī)理

IGBT負(fù)載短路下的幾種后果

(1) 超過熱極限：半導(dǎo)體的本征溫度極限為250℃，當(dāng)結(jié)溫超過本征溫度，器件將喪失阻斷能力，IGBT負(fù)載短路時，由于短路電流時結(jié)溫升 高，一旦超過其熱極限時，門級保護(hù)也相應(yīng)失效。

(2) 電流擎住效應(yīng)：正常工作電流下，IGBT由于薄層電阻Rs很小，沒有電流擎住現(xiàn)象，但在短路狀態(tài)下，由于短路電流很大，當(dāng)Rs上的壓降 高于0.7V時，使J1正偏，產(chǎn)生電流擎住，門級便失去電壓控制。

(3) 關(guān)斷過電壓：為了抑制短路電流，當(dāng)故障發(fā)生時，控制電路立即撤去正門級電壓，將IGBT關(guān)斷，短路電流相應(yīng)下降。由于短路電流大， 因此，關(guān)斷中電流下降率很高，在布線電感中將感生很高的電壓，尤其是在器件內(nèi)封裝引線電感上的這種感應(yīng)電壓很難抑制，它將使器件有過電流變?yōu)殛P(guān)斷過電壓而 失效。

IGBT過流保護(hù)方法

(1) 減壓法：是指在故障出現(xiàn)時，降低門級電壓。由于短路電流比例于外加正門級電壓Ug1，因此在故障時，可將正門級電壓降低。

(2) 切斷脈沖方法：由于在過流時，Uce電壓升高，我們利用檢測集電極電壓的方法來判斷是否過流，如果過流，就切斷觸發(fā)脈沖。同時盡 量采用軟關(guān)斷方式，緩解短路電流的下降率，避免產(chǎn)生過電壓造成對IGBT的損壞。