絕緣柵雙極晶體管 IGBT 是第三代電力電子器件，安全工作，它集功率晶體管 GTR 和功率場(chǎng)效應(yīng)管 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有易于驅(qū)動(dòng)、峰值電流容量大、自關(guān)斷、開(kāi)關(guān)頻率高 (10-40 kHz) 的特點(diǎn)，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應(yīng)用于小體積、高效率的變頻電源、電機(jī)調(diào)速、 UPS 及逆變焊機(jī)當(dāng)中。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)是其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。在此根據(jù)長(zhǎng)期使用 IGBT 的經(jīng)驗(yàn)并參考有關(guān)文獻(xiàn)對(duì) IGBT 的門極驅(qū)動(dòng)問(wèn)題做了一些總結(jié)，希望對(duì)廣大 IGBT 應(yīng)用人員有一定的幫助。
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1 IGBT 門極驅(qū)動(dòng)要求
1.1 柵極驅(qū)動(dòng)電壓
因 IGBT 柵極 - 發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但 IGBT 的輸入電容較 MOSFET 大，所以 IGBT 的驅(qū)動(dòng)偏壓應(yīng)比 MOSFET 驅(qū)動(dòng)所需偏壓強(qiáng)。圖 1 是一個(gè)典型的例子。在 +20 ℃情況下，實(shí)測(cè) 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 開(kāi)通電壓閥值為 5 ～ 6 V ，在實(shí)際使用時(shí)，為獲得最小導(dǎo)通壓降，應(yīng)選取 Ugc ≥ (1.5 ～ 3)Uge(th) ，當(dāng) Uge 增加時(shí)，導(dǎo)通時(shí)集射電壓 Uce 將減小，開(kāi)通損耗隨之減小，但在負(fù)載短路過(guò)程中 Uge 增加，集電極電流 Ic 也將隨之增加，使得 IGBT 能承受短路損壞的脈寬變窄，因此 Ugc 的選擇不應(yīng)太大，這足以使 IGBT 完全飽和，同時(shí)也限制了短路電流及其所帶來(lái)的應(yīng)力 ( 在具有短路工作過(guò)程的設(shè)備中，如在電機(jī)中使用 IGBT 時(shí)， +Uge 在滿足要求的情況下盡量選取最小值，以提高其耐短路能力 ) 。
1.2 對(duì)電源的要求
對(duì)于全橋或半橋電路來(lái)說(shuō)，上下管的驅(qū)動(dòng)電源要相互隔離，由于 IGBT 是電壓控制器件，所需要的驅(qū)動(dòng)功率很小，主要是對(duì)其內(nèi)部幾百至幾千皮法的輸入電容的充放電，要求能提供較大的瞬時(shí)電流，要使 IGBT 迅速關(guān)斷，應(yīng)盡量減小電源的內(nèi)阻，并且為防止 IGBT 關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的 du/dt 誤使 IGBT 導(dǎo)通，應(yīng)加上一個(gè) -5 V 的關(guān)柵電壓，以確保其完全可靠的關(guān)斷 ( 過(guò)大的反向電壓會(huì)造成 IGBT 柵射反向擊穿，一般為 -2 ～-10 V 之間) 。
1.3 對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的要求
從減小損耗角度講，門極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的上升沿和下降沿要盡量陡峭，前沿很陡的門極電壓使 IGBT 快速開(kāi)通，達(dá)到飽和的時(shí)間很短，因此可以降低開(kāi)通損耗，同理，在 IGBT 關(guān)斷時(shí)，陡峭的下降沿可以縮短關(guān)斷時(shí)間，從而減小了關(guān)斷損耗，發(fā)熱量降低。但在實(shí)際使用中，過(guò)快的開(kāi)通和關(guān)斷在大電感負(fù)載情況下反而是不利的。因?yàn)樵谶@種情況下， IGBT 過(guò)快的開(kāi)通與關(guān)斷將在電路中產(chǎn)生頻率很高、幅值很大、脈寬很窄的尖峰電壓 Ldi/dt ，并且這種尖峰很難被吸收掉。此電壓有可能會(huì)造成 IGBT 或其他元器件被過(guò)壓擊穿而損壞。所以在選擇驅(qū)動(dòng)波形的上升和下降速度時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路中元件的耐壓能力及 du/dt 吸收電路性能綜合考慮。
1.4 對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的要求
由于 IGBT 的開(kāi)關(guān)過(guò)程需要消耗一定的電源功率，最小峰值電流可由下式求出：
IGP = △ U ge /（R G +R g） ；
式中△ Uge=+Uge+|Uge| ； RG 是 IGBT 內(nèi)部電阻； Rg 是柵極電阻。
驅(qū)動(dòng)電源的平均功率為：
P AV =C ge △ Uge 2 f,
式中． f 為開(kāi)關(guān)頻率； Cge 為柵極電容。
1.5 柵極電阻
為改變控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減小 IGBT 集電極的電壓尖峰，應(yīng)在 IGBT 柵極串上合適的電阻 Rg 。當(dāng) Rg 增大時(shí)， IGBT 導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，損耗發(fā)熱加??； Rg 減小時(shí)， di/dt 增高，可能產(chǎn)生誤導(dǎo)通，使 IGBT 損壞。應(yīng)根據(jù) IGBT 的電流容量和電壓額定值以及開(kāi)關(guān)頻率來(lái)選取 Rg 的數(shù)值。通常在幾歐至幾十歐之間 ( 在具體應(yīng)用中，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況予以適當(dāng)調(diào)整 ) 。另外為防止門極開(kāi)路或門極損壞時(shí)主電路加電損壞 IGBT ，建議在柵射間加入一電阻 Rge ，阻值為 10 k Ω左右。
1.6 柵極布線要求
合理的柵極布線對(duì)防止?jié)撛谡鹗?，減小噪聲干擾，保護(hù) IGBT 正常工作有很大幫助。
a ．布線時(shí)須將驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)和 lGBT 之間的寄生電感減至最低 ( 把驅(qū)動(dòng)回路包圍的面積減到最小 ) ；
b ．正確放置柵極驅(qū)動(dòng)板或屏蔽驅(qū)動(dòng)電路，防止功率電路和控制電路之間的耦合；
c ．應(yīng)使用輔助發(fā)射極端子連接驅(qū)動(dòng)電路；
d ．驅(qū)動(dòng)電路輸出不能和 IGBT 柵極直接相連時(shí)，應(yīng)使用雙絞線連接 (2 轉(zhuǎn)／ cm) ；
e ．柵極保護(hù)，箝位元件要盡量靠近柵射極。
1.7 隔離問(wèn)題
由于功率 IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，所以驅(qū)動(dòng)電路必須與整個(gè)控制電路在電位上完全隔離，主要的途徑及其優(yōu)缺點(diǎn)如表 1 所示。
表1 驅(qū)動(dòng)電路與控制電路隔離的途徑及優(yōu)缺點(diǎn)
利用光電耦合器進(jìn)行隔離
優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、輸出脈寬不受限制，適用于 PWM 控制器
缺點(diǎn)
1 、共模干擾抑制不理想
2 、響應(yīng)速度慢，在高頻狀態(tài)下應(yīng)用受限制
3 、需要相互隔離的輔助電源
利用脈沖變壓器進(jìn)行隔離
優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，共模干擾抑制效果好
缺點(diǎn)：
1 、信號(hào)傳送的最大脈沖寬度受磁芯飽和特性的限制，通常不大于 50 ％，最小脈寬受磁化電流限制
2 、受漏感及集膚影響，加工工藝復(fù)雜
2 典型的門極驅(qū)動(dòng)電路介紹
2.1 脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路
脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路如圖 2 所示， V1 ～ V4 組成脈沖變壓器一次側(cè)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)控制 V1 、 V4 和 V2 、 V3 的輪流導(dǎo)通，將驅(qū)動(dòng)脈沖加至變壓器的一次側(cè)，二次側(cè)通過(guò)電阻 R1 與 IGBT5 柵極相連， R1 、 R2 防止 IGBT5 柵極開(kāi)路并提供充放電回路， R1 上并聯(lián)的二極管為加速二極管，用以提高 IGBT5 的開(kāi)關(guān)速度，穩(wěn)壓二極管 VS1 、 VS2 的作用是限制加在 IGBT5g-e 端的電壓，避免過(guò)高的柵射電壓擊穿柵極。柵射電壓一般不應(yīng)超過(guò) 20 V 。
圖 2 脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路
2.2 光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路
光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖 3 所示。由于 IGBT 是高速器件，所選用的光耦必須是小延時(shí)的高速型光耦，由 PWM 控制器輸出的方波信號(hào)加在三極管 V1 的基極， V1 驅(qū)動(dòng)光耦將脈沖傳遞至整形放大電路 IC1 ，經(jīng) IC1 放大后驅(qū)動(dòng)由 V2 、 V3 組成的對(duì)管 (V2 、 V3 應(yīng)選擇β >100 的開(kāi)關(guān)管 ) 。對(duì)管的輸出經(jīng)電阻 R1 驅(qū)動(dòng) IGBT4 ， R3 為柵射結(jié)保護(hù)電阻， R2 與穩(wěn)壓管 VS1 構(gòu)成負(fù)偏壓產(chǎn)生電路， VS1 通常選用 1 W/5.1 V 的穩(wěn)壓管。此電路的特點(diǎn)是只用 1 組供電就能輸出正負(fù)驅(qū)動(dòng)脈沖，使電路比較簡(jiǎn)潔。
圖 3 光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路
2.3 驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路
應(yīng)用成品驅(qū)動(dòng)模塊電路來(lái)驅(qū)動(dòng) IGBT ，可以大大提高設(shè)備的可靠性，目前市場(chǎng)上可以買到的驅(qū)動(dòng)模塊主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。這類模塊均具備過(guò)流軟關(guān)斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號(hào)輸出功能。由于這類模塊具有保護(hù)功能完善、免調(diào)試、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用這類模塊驅(qū)動(dòng) IGBT 可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。 EXB840 和 M57962 很多資料都有介紹，KA101和KA102的資料可以查看網(wǎng)站http://www.pwrdriver.com/product/ka101.php，這里就簡(jiǎn)要介紹一下惠普公司的 HCPL316J 。典型電路如圖 4 所示。
圖 4 由驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路
HCPL316J 可以驅(qū)動(dòng) 150 A/1200 V 的 IGBT ，光耦隔離， COMS/TTL 電平兼容，過(guò)流軟關(guān)斷，最大開(kāi)關(guān)速度 500 ns ，工作電壓 15 ～ 30 V ，欠壓保護(hù)。輸出部分為三重復(fù)合達(dá)林頓管，集電極開(kāi)路輸出。采用標(biāo)準(zhǔn) SOL-16 表面貼裝。
HCPL316J 輸入、輸出部分各自排列在集成電路的兩邊，由 PWM 電路產(chǎn)生的控制信號(hào)加在 316j 的第 1 腳，輸入部分需要 1 個(gè) 5 V 電源， RESET 腳低電平有效，故障信號(hào)輸出由第 6 腳送至 PWM 的關(guān)閉端，在發(fā)生過(guò)流情況時(shí)及時(shí)關(guān)閉 PWM 輸出。輸出部分采用 +15 V 和 -5 V 雙電源供電，用于產(chǎn)生正負(fù)脈沖輸出， 14 腳為過(guò)流檢測(cè)端，通過(guò)二極管 VDDESAT 檢測(cè) IGBT 集電極電壓，在 IGBT 導(dǎo)通時(shí)，如果集電極電壓超過(guò) 7 V ，則認(rèn)為是發(fā)生了過(guò)流現(xiàn)象， HCPL316J 慢速關(guān)斷 IGBT ，同時(shí)由第 6 腳送出過(guò)流信號(hào)。
3 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì) IGBT 門極驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)的分析及典型應(yīng)用電路的介紹，使大家對(duì) IGBT 的應(yīng)用有一定的了解?？勺鳛樵O(shè)計(jì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的參考。