IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用舉例

1、應(yīng)用脈沖變壓器直接驅(qū)動(dòng)功率IGBT

這種驅(qū)動(dòng)電路的原理如圖1（a）所示，其輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓和電流波形如圖1（b）所示。它的工作原理是來自控制脈沖形成單元的脈沖信號(hào)經(jīng)高頻晶體管V進(jìn)行功率放大后加到脈沖變壓器上，由脈沖變壓器隔離、耦合，經(jīng)穩(wěn)壓管VS1和VS2限幅后驅(qū)動(dòng)IGBT。它的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廉價(jià)的脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)了被驅(qū)動(dòng)IGBT與控制脈沖形成部分的隔離驅(qū)動(dòng)級(jí)不需要專門的直流電源，簡(jiǎn)化了電源結(jié)構(gòu)，同時(shí)脈沖變壓器傳輸脈沖的頻率可以較高（一般最高工作頻率可達(dá)1000kHz左右）整個(gè)電路工作頻率較高，IGBT自身所需驅(qū)動(dòng)電流又很小，所以脈沖變壓器可以做得很??；穩(wěn)壓管VS1和VS2的引入限制了加到被驅(qū)動(dòng)功率IGBT柵極G與發(fā)射極E之間的正、反向電壓，防止電壓UGE過高而損壞被驅(qū)動(dòng)功率IGBT的控制絕緣柵。其不足表現(xiàn)在高頻脈沖變壓器因漏感及肌膚效應(yīng)的存在較難繞制，且因漏感的存在容易出現(xiàn)UGE振蕩；為了限制振蕩，常常需增加?xùn)艠O電阻RG，這就影響了柵極驅(qū)動(dòng)脈沖前、后沿的陡度，降低了可應(yīng)用的最高頻率；同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路自身不能對(duì)被驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行欠飽和、過飽和及過電流等保護(hù)。

2、采用分立式驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)IGBT

圖2（a）給出了分立式驅(qū)動(dòng)電路原理，圖2（b）給出了其柵極驅(qū)動(dòng)電壓的波形。它的工作原理是正常情況下，由于來自電流取樣環(huán)節(jié)BHL元件輸出的信號(hào)小于比較器A反相端整定的門檻值，比較器A輸出低電平，光耦合器VLC2不導(dǎo)通，反相器D輸出高電平，封鎖脈沖功能不起作用。當(dāng)控制脈沖由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，光耦合器VLC1輸出低電平，V1截止，V2導(dǎo)通，電容C2給IGBT的GE結(jié)施以反向電壓，使其快速關(guān)斷；反之，當(dāng)控制脈沖由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，VLC1輸出高電平，4011輸出低電平，V1導(dǎo)通，V2截止，提供IGBT導(dǎo)通時(shí)GE結(jié)所需的正向電壓，使IGBT快速導(dǎo)通。一旦發(fā)生過電流，則A輸出高電平，并經(jīng)二極管VD自保，光耦合器VLC2導(dǎo)通，并輸出低電平，直接從末極驅(qū)動(dòng)電路和脈沖形成部分封鎖掉控制脈沖。

該驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：自身帶過電流保護(hù)功能，光耦合器VLC1的引入，提高了柵極驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電路與脈沖形成部分的隔離；互補(bǔ)推挽放大用晶體管V1、V2的引入，降低了驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗；電阻R1、R2及電容C1、C2的引入，使用戶可方便地對(duì)被驅(qū)動(dòng)IGBT的正、反向驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足了不同IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路輸出的+UGE和-UGE的大小不同要求。其缺點(diǎn)是受光耦合器VLC1傳輸速度的影響，其工作頻率不能很高，一般用高速光耦合器也僅能達(dá)到10～40kHz，且應(yīng)用分立器件較多，抗干擾性能差同時(shí)受4011最高工作電源電壓的限制，使提供給IGBT柵極與發(fā)射極間正、反向電壓幅度相互牽制柵極驅(qū)動(dòng)電路不能對(duì)被驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行欠飽和、過飽和及驅(qū)動(dòng)級(jí)電源電壓監(jiān)控等保護(hù)。

3、采用MOSFET驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGBT

由于IGBT以MOSFET為輸入級(jí)，所以MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路同樣適用于IGBT。為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式。圖3給出了兩種典型的柵極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例。圖3（a）中，輸入信號(hào)經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級(jí)，放大級(jí)采用有源負(fù)載方式，以提供足夠的柵極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極連接由RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器，并且連接線采用雙絞線方式。圖3（b）所示的驅(qū)動(dòng)電路中，輸入控制信號(hào)通過光耦合器進(jìn)行隔離后引入驅(qū)動(dòng)電路，然后經(jīng)MOS管VF放大后由推挽式電路V1和V2向IGBT提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓。

4、由分立器件構(gòu)成的具有UCS保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備兩種功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電位隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電位隔離可以采用脈沖變壓器、微分變壓器及光耦合器。脈沖變壓器由于體積較大、輸出脈沖波形不夠理想，較少采用。圖4為采用光耦合器隔離的分立器件式IGBT驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸入控制信號(hào)時(shí)，光耦合器VLC導(dǎo)通，晶體管V1截止、V2導(dǎo)通，向被驅(qū)動(dòng)IGBT柵射極提供15V驅(qū)動(dòng)電壓。輸入信號(hào)uIN為低電平時(shí)，VLC截止，晶體管V1、V3導(dǎo)通，向被驅(qū)動(dòng)IGBT柵-射極施加-10V電壓。應(yīng)注意的是：+15V和-10V電源需靠近驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和射極的引線應(yīng)采用雙絞線，長(zhǎng)度最好不超過0.5m。對(duì)于容量在75A/1200V以內(nèi)的IGBT，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)能提供峰值電流為1A的充放電電流，對(duì)于150A/1200V及300A/1200V的IGBT，則需分別提供2A和4A的峰值電流。驅(qū)動(dòng)電路中，VLC.、V1、V2及V3均需采用快速開關(guān)晶體管，使輸出脈沖的延遲加上升時(shí)間及延遲加下降時(shí)間均小于1.5μs。

圖4分立器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)器