igbt驅動電路原理圖

GBT驅動電路的常見形式

（1）分立元件

由分立元件構成的插接式IGBT驅動電路，在20世紀80年代由IGBT構成的設備上被廣泛使用，分立元件的驅動電路的設計和應用主要是受當時電子元器件技術水平和生產工藝的制約。但隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn)，這類分立元件插接式驅動電路，因結構復雜、集成化程度低、故障率高已逐漸被淘汰。

（2）光耦合驅動電路

由光耦合器構成的驅動電路具有線路簡單、可靠性高、開關性能好等特點，在IGBT驅動電路設計中被廣泛采用。由于光耦合器的型號很多，所以選用的余地也很大。用于IGBT驅動電路中的光耦合器，選用較多的主要有東芝公司的’TLP系列、夏普公司的PC系列、惠普公司的HCPL系列等。

以東芝TJP系列光耦合器為例，驅動IGBT模塊的光耦合器主要采用的是TLP250，TLP251兩個型號。對于小電流（15A左右）的IGBT一般采用TLP251。外圍再甫佐以驅動電源和限流電阻等就構成了最簡單的驅動電路。而對于中等電流（50A左右）的IGBT一般采用TLP250型號的光耦合器。而對于更大電流的IGBT，在設計驅動電路時一般采取在光耦合器驅動后面再增加一級放大電路，達到安全驅動IGBT模塊的目的。光耦合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是反應較慢，因而具有較大的延遲時間（高速型光耦合器一般也大于500ns）；光耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。

（3）厚膜驅動電路

厚膜驅動電路是在阻容元件和半導體技術的基礎上發(fā)展起來的一種混合集成電路，它是利用厚膜技術在陶瓷基片上制作模式元件和連接導線，將驅動電路的各元件集成在一塊陶瓷，基片上，使之成為一個整體部件。使用厚膜驅動電路給設訐布線帶來了很大的方便，可提高整機的可靠性和批量生產的一致性，同時也加強了技術的保密性。現(xiàn)在的厚膜驅動電路集成了很多保護電路和檢測電路。

（4）專用集成驅動電路

目前已開發(fā)和應用的專用的集成驅動電路，主要有IR公司的IR2111、IR2112、IR2113等，其他還有富士公司的EXB系列厚膜驅動電路。

此外，現(xiàn)在的一些歐美廠商在IGBT驅動電路設計上采用了將高頻隔離變壓器加入到驅動電路中（如丹佛斯VLT系列變頻電源）。通過高頻變壓器對驅動電路電源及信號的隔離，增強了驅動電路的可靠性，同時也有效地防止了主電路出現(xiàn)故障時對控制電路的損壞。在實際的應用中這種驅動電路故障率很低，大功率IGBT也極少出現(xiàn)問題。用脈沖變壓器隔離驅動IGBT有3種方法：

1）無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅動lGBT器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅動電源，但由于IGBT器件的柵極—發(fā)射極電容CGs一般較大，因而柵極—發(fā)射極間的波形VGE將有明顯變形，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，柏蘆睬-沖變壓器也有較大體積。

2）有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅動IGBT器件，雖然驅動波形好，但是需要另外提供隔漓的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生干擾。

3）自給電源方法的已有技術是對PWM驅動信號進行高頻（幾個MHz以上）調制，該信號加在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調制信號則需經過解調取得，顯然，這種方法復雜，價格較高。

三種IGBT驅動電路

1、驅動電路EXB841/840

EXB841 工作原理如圖1，當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不導通，E點的電位約為20V，二極管VD截止，不影響V4和V5正常工作。

當 14腳和15腳無電流流過，則V1和V2導通，V2的導通使V4截止、V5導通，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左右的負偏壓，IGBT可靠關斷，同時VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C2的放電使得B點電位為0V，則V S1仍然不導通，后續(xù)電路不動作，IGBT正常關斷。

如有過流發(fā)生，IGBT的V CE過大使得VD2截止，使得VS1擊穿，V3導通，C4通過R7放電，D點電位下降，從而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低 ，完成慢關斷，實現(xiàn)對IGBT的保護。由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，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，還和二極管VD2的導通電壓Vd有關。

典型接線方法如圖2，使用時注意如下幾點：

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

b、由于IGBT集電極產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，容易產生誤導通。

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腳過電流保護取樣信號連接端，通過快恢復二極管接IGBT集電極。

e、14、15接驅動信號，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該小于20mA，故在15腳前加限流電阻。

f、為了保證可靠的關斷與導通，在柵射極加穩(wěn)壓二極管。

2、M57959L/M57962L厚膜驅動電路

M57959L/M57962L厚膜驅動電路采用雙電源（+15V，- 10V）供電，輸出負偏壓為-10V，輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短 路/過載保護和 封閉性短路保護功能，同時具有延時保護特性。其分別適合于驅動1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其 以下的 IGBT.M57959L/M57962L在驅動中小功率的IGBT時，驅動效果和各項性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當其工作在高頻下時，其脈沖前后沿變的較差，即信 號的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內部采用印刷電路板設計，散熱不是很好，容易因過熱造成內部器件的燒毀。

日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅動芯片它可以作為600V/200A或者1200V/100A的IGBT驅動。其最高頻率也達40KHz，采用雙電源 供電（+15V和-15V）輸出電流峰值為±2A，M57959L有以下特點：

（1） 采用光耦實現(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開關運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側。

（2） 如果采用雙電源驅動技術，輸出負柵壓比較高，電源電壓的極限值為+18V/-15V，一般取+15V/-10V。

（3） 信號傳輸延遲時間短，低電平-高電平的傳輸延時以及高電平-低電平的傳輸延時時間都在1.5μs以下。

（4） 具有過流保護功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L就會將對IGBT實施軟關斷，并輸出過 流故障信號。

（5） M57959的內部結構如圖所示，這一電路的驅動部分與EXB系列相仿，但是過流保護方面有所不同。過流檢測仍采用電壓采樣，電路特 點是采用柵壓緩降，實現(xiàn)IGBT軟關斷。

避免了關斷中過電壓和大電流沖擊，另外，在關斷過程中，輸入控制信號的狀態(tài)失去作用，既保護關斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當保護開始時，立即送出故障信號，目的是切斷控制信號，包括電路中其它有源器件。

3、SD315A集成驅動模塊

集成驅動模塊采用+15V單電源供電，內部集成有過流保護電路，其最大的特點是具 有安全性、智能性與易用性。2SD315A能輸出很大的峰 值電流（最大瞬時輸出電流可達±15A），具有很強的驅動能力和很高的隔離電壓能力（4000V）。2SD315A具有兩個驅動輸出通道，適合于驅 動等級為1200V/1700V極其以上的兩個單管或一個半橋式的雙單元大功率IGBT模塊。其中在作為半橋驅動器使用的時候，可以很方便地 設置死區(qū)時間。

2SD315A內部主要有三大功能模塊構成，分別是LDI（Logic To Driver Interface，邏輯驅動轉換接口）、IGD（Intelligent Gate Driver，智能門極驅動）和輸入與輸出相互絕緣的DC/DC轉換器。當外部輸入PWM信號后，由LDI進行編碼處理，為保證信號不受外界條件的 干擾，處理過的信號在進入IGD前需用高頻隔離變壓器進行電氣隔離。從隔離變壓器另一側 接收到的信號首先在IGD單元進行解碼，并把解碼后的PWM信號進行放大（±15V/±15A）以驅動外接大功率IGBT。當智能門極驅動單元IGD內的 過流和短路保護電路檢測到IGBT發(fā)生過流和短路故障時，由封鎖時間邏輯電路和狀態(tài)確認電路產生相應的響應時間和封鎖時間，并把此時的狀態(tài)信號進行編碼送 到邏輯控制單元LDI。LDI單元對傳送來的IGBT工作狀態(tài)信號進行解碼處理，使之在控制回路中得以處理。為防止2SD315A的兩路輸出驅動信號相互 干擾，由DC/DC轉換器提供彼此隔離的電源供電。

分立元器件構成的IGBT驅動電路

通常設計的驅動電路多為采用脈沖變壓器耦合，其優(yōu)點是結構簡單，適用于中小功率變換設備中的IGBT。缺點是不適用于大型功率變換設備中的大功率IGBT器件，脈沖變壓器耦合驅動電路存在波形失真、容易振蕩，尤其是脈沖變壓器耦合不良、漏感偏大時更為嚴重，抗干擾與抑制誤觸能力低。并因其是一種無源驅動器而不適應高頻大功率IGBT器件。

圖1a所示的驅動電路適合于驅動低頻小功率IGBT，當控制信號Vi為高電平時，Vl導通，輸出Vo對應控制的開關管（IGBT）導通；當控制信號Vi為低電平時，V2導通，輸出Vo對應控制的開關管（IGBT）被關斷。

圖1b所示的驅動電路是采用場效應管組成推挽電路，其工作原理同圖1a，這種電路高頻峰值驅動電流可達10A以上，適用于大功率IGBT器件。

圖2所示的驅動保護二合一電路適用于驅動低頻小功率IGBT，如果將雙極型NPN與PNP三極管換成N溝道與P溝道大功率場管后就可構成高頻大電流驅動器。

圖2 驅動保護二合一電路

在圖2所示的驅動保護二合一電路中，不采用光耦合器作信號隔離而用磁環(huán)變壓器耦合方波信號，因光耦合器的速度不夠快，并存在光耦合器的上升下降波沿延時，采用變壓器傳輸可獲得陡直上升下降波沿，幾乎沒有傳輸延時。適用于驅動高頻大功率的IGBT器件。本電路具有驅動速度快，過流保護動作快，是比較理想的驅動保護二合一實用IGBT驅動電路。

在圖2所示驅動保護二合一電路基礎上增加軟關斷技術的驅動電路如圖4所示。

圖5所示驅動電路為采用光耦合器等分立元器件構成的IGBT驅動電路。當輸入控制信號時，光耦合器VLC導通，晶體管V2截止，V3導通輸出+15V驅動電壓。當輸入控制信號為零時，VLC截止，V2、Ⅵ導通，輸出-10V電壓。+15V和-10V電源需靠近驅動電路，驅動電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發(fā)射極的引線應采用雙絞線，長度最好不超過0.5m。在IGBT驅動電路設計時應注意以下幾點：

1） IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅動電路輸出端應設有柵極過電壓保護電路，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或電阻。并聯(lián)穩(wěn)壓二極管的缺陷是增加等效輸人電容Cin，從而影響開關速度，并聯(lián)電阻的缺陷是減小輸入阻抗，增大驅動電流，使用時應根需要取舍。

2） 盡管IGBT所需驅動功率很小，但由于MOSFET存在輸入電容Cin，開關過程中需要對電容充放電，因此驅動電路的輸出電流應足夠大。假定導通驅動時，在上升時間tr內線性地對MOSFET輸入電容Cin充電，則驅動電流為IGE=Cin×VGS/tr，其中可取tr=2.2RCin，R為輸入回路電阻。

3） 為可靠關閉IGBT，防止鎖定效應，要給柵極加一負偏壓，因此應采用雙電源為驅動路供電。

專用的混合集成IGBT驅動電路

在分立式IGBT驅動電路中，分立元件多、結構復雜、保護電路復雜、可靠性和性能都比較差，因此在實際應用中大多數(shù)采用集成驅動電路。常用的有三菱公司的M597系列（如M57962L和M57959L）、富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）、東芝公司的TLP系列、法國湯姆森公司的VA4002集成電路等應用都很廣泛。同一系列的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用被驅動器件的容量和開關頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。

在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相關的性能控制，通過檢測直流母線上流入逆變橋的直流電流即可，如變頻器中的自動轉矩補償、轉差率補償?shù)?。同時，這一檢測結果也可以用來完成對逆變單元中IGBT實現(xiàn)過流保護等功能。因此在這種逆變器中，對IGBT驅動電路的要求相對比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅動芯片主要有東芝公司生產的TIP250，夏普公司生產的PC923等。TLP250包含一個GaAIAs發(fā)光二極管和一個集成光檢測器，8腳雙列封裝結構。TLP250的典型特征如下：

1）輸入閾值電流（IF）：5mA（最大）。

2）電源電流（Icc）：llmA（最大）。

3）電源電壓（Vcc）：10~35V。

4）開關時間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）。

5）隔離電壓：2500Vpms（最?。?。

使用TLP250時應在引腳8和5問連接一個0.1μF的陶瓷電容來穩(wěn)定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關性能，電容和光耦合器之間的引線長度不應超過lcm。TLP250使用特點如下：

1） TLP250輸出電流較小，對較大功率IGBT實施驅動時，需要外加功率放大電路。

2） 由于流過IGBT的電流是通過其他電路檢測來完成的，而且僅檢測流過IGBT的電流，這就有可能對于IGBT的使用效率產生一定的影響，比如IGBT在安全工作區(qū)時，有時出現(xiàn)的提前保護等。

3） 要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應要快，一般由過電流發(fā)生到IGBT可靠關斷應在10μs以內完成。

4） 當過電流發(fā)生時，TLP250得到控制器發(fā)出的關斷信號，對IGBT的柵極施加一負電壓，使IGBT硬關斷。這種主電路的dv/dt比正常開關狀態(tài)下大了許多，造成了施加于IGBT兩端的電壓升高很多，有時就可能造成IGBT的擊穿。

由集成電路TLP250構成的驅動電路如圖6所示。TLP250內置光耦合器的隔離電壓可達2500V，上升和下降時間均小于0 5μs，輸出電流達0.5A，可直接驅動50A/1200V以內的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅動電流容量更大的IGBT。TLP250構成的驅動器體積小，價格便宜，是不帶過電流保護的IGBT驅動器中較理想的產品。由于TLP250不具備過電流保護功能，當IGBT過電流時，通過控制信號關斷IGBT，IGBT中電流的下降很陡，且有一個反向的沖擊。這將會產生很大的di/dt和開關損耗，而且對控制電路的過流保護功能要求很高。