基于一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案

IGBT的概念是20世紀(jì)80年代初期提出的。IGBT具有復(fù)雜的集成結(jié)構(gòu)，它的工作頻率可以遠(yuǎn)高于雙極晶體管。IGBT已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件的主流。在10～100 kHz的中高壓大電流的范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。IGBT進(jìn)一步簡(jiǎn)化了功率器件的驅(qū)動(dòng)電路和減小驅(qū)動(dòng)功率。

　　IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。
 

　　當(dāng)柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)從N+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴(少子)對(duì)N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減?、魠^(qū)的電阻Rdr ，使阻斷電壓高的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。當(dāng)柵極上施以負(fù)電壓時(shí)。MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。

　　在IGBT導(dǎo)通之后。若將柵極電壓突然降至零，則溝道消失，通過(guò)溝道的電子電流為零，使集電極電流有所下降，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子和空穴對(duì)，因而集電極電流不會(huì)馬上為零，而出現(xiàn)一個(gè)拖尾時(shí)間。

　　2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　2.1 IGBT器件型號(hào)選擇

　　1)IGBT承受的正反向峰值電壓

　　考慮到2-2.5倍的安全系數(shù)，可選IGBT的電壓為1 200 V。

　　2)IGBT導(dǎo)通時(shí)承受的峰值電流。

　　額定電流按380 V供電電壓、額定功率30 kVA容量算。選用的IGBT型號(hào)為SEMIKRON公司的SKM400GA128D。

　　2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求

　　對(duì)于大功率IGBT，選擇驅(qū)動(dòng)電路基于以下的參數(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(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)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(jiàn)表1。柵極正電壓 的變化對(duì)IGBT的開(kāi)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(kāi)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(wèn)題(見(jiàn)表1)。

　　表1 IGBT門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系

　　由于IGBT的開(kāi)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對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路提出了以下要求。[!--empirenews.page--]

1)向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍?。并且在IGBT導(dǎo)通后。柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級(jí)總處于飽和狀態(tài)。瞬時(shí)過(guò)載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān)，在漏源電流一定的情況下，VGE越高，VDS儺就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允許超過(guò)20 V，原因是一旦發(fā)生過(guò)流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。

　　2)能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào)，這些信號(hào)輕則會(huì)使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓f幅值一般為5～15 V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止。

　　3)具有柵極電壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極。

　　4)由于IGBT多用于高壓場(chǎng)合。要求有足夠的輸人、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。

　　5)IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單、實(shí)用。應(yīng)具有IGBT的完整保護(hù)功能，很強(qiáng)的抗干擾能力，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。

　　2.3 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(lái)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(wú)一例外都是負(fù)壓關(guān)斷。

　　M57962L是日本三菱電氣公司為驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)的厚膜集成電路，實(shí)質(zhì)是隔離型放大器，采用光電耦合方法實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離，隔離電壓高達(dá)2 500 V，并配置了短路/過(guò)載保護(hù)電路。

　　M57962L可分別驅(qū)動(dòng)600 V/200 A和600 V/400 A級(jí)IGBT模塊，具有很高的性價(jià)比。本次課題設(shè)計(jì)中選用的IGBT最大電流400 A考慮其他隔離要求及保護(hù)措施，選用了M57962L設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

　　圖1為M57962L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(kāi)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(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)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。

　　圖1 M57962L的結(jié)構(gòu)框圖

　　當(dāng)單獨(dú)用M57962L來(lái)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(lái)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(kāi)關(guān)損耗，在高頻應(yīng)用(超過(guò)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?yè)p耗過(guò)大，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器過(guò)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(guò)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)電路見(jiàn)圖2。

 [!--empirenews.page--]圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

　　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。

　　2.4 柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇

　　使用M57962L，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流的上升率(di/dt)，需要在柵極回路中串聯(lián)電阻RG，若柵極電阻過(guò)大，則IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加;若柵極電阻過(guò)小則使dic/dt 過(guò)大可能引發(fā)IGBT的誤導(dǎo)通，同時(shí)R。上的能耗也有所增加。所以選擇驅(qū)動(dòng)電阻阻值時(shí)，要綜合考慮這兩方面的因素，并防止輸出電流，IOP超過(guò)極限值5 A.RG 的選取可以依據(jù)公式：

　　對(duì)大功率的IGBT模塊來(lái)說(shuō)，RGMIN數(shù)值一般按下式計(jì)算：

　　這是因?yàn)閷?duì)于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)和防止內(nèi)部的振蕩，模塊內(nèi)部的各個(gè)開(kāi)關(guān)器件都會(huì)包含有柵極電阻器R G(INT) ，R G(INT) 數(shù)值視模塊種類不同而不同，一般在0.75—3Ω 之間，而f的數(shù)值則依靠柵極驅(qū)動(dòng)電路的寄生電感和驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)速度來(lái)決定，所以獲得 R GMIN 的最佳辦法就是在改變RG時(shí)監(jiān)測(cè)IOP，當(dāng)IOP達(dá)到最大值時(shí)，RG達(dá)到極限值R GMIN 。

　　但在使用中應(yīng)注意，RG不能按前面的公式計(jì)算，而要略大于R GMIN 。如RG過(guò)小會(huì)造成IGBT柵極注入電流過(guò)大，使IGBT飽和，無(wú)法關(guān)斷，即在驅(qū)動(dòng)脈沖過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)IGBT仍然導(dǎo)通。

　　本設(shè)計(jì)中要驅(qū)動(dòng)IGBT為大電流的功率器件，所以在選擇RG時(shí)綜合上述的要求，選取RG為3.5Ω 。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)電路已經(jīng)成功應(yīng)用在助航燈恒流調(diào)光器電源中，取得較好的實(shí)用效果。