淺析IGBT門級驅(qū)動

作者 : 雷斌

　　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 和功率場效應管 MOSFET 的優(yōu)點于一身，具有易于驅(qū)動、峰值電流容量大、自關(guān)斷、開關(guān)頻率高 (10-40 kHz) 的特點，是目前發(fā)展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應用于小體積、高效率的變頻電源、電機調(diào)速、 UPS 及逆變焊機當中。 IGBT 的驅(qū)動和保護是其應用中的關(guān)鍵技術(shù)。在此根據(jù)長期使用 IGBT 的經(jīng)驗并參考有關(guān)文獻對 IGBT 的門極驅(qū)動問題做了一些總結(jié)，希望對廣大 IGBT 應用人員有一定的幫助。

1 IGBT 門極驅(qū)動要求
1.1 柵極驅(qū)動電壓
因 IGBT 柵極 - 發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅(qū)動技術(shù)進行驅(qū)動，但 IGBT 的輸入電容較 MOSFET 大，所以 IGBT 的驅(qū)動偏壓應比 MOSFET 驅(qū)動所需偏壓強。圖 1 是一個典型的例子。在 +20 ℃情況下，實測 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 開通電壓閥值為 5 ～ 6 V ，在實際使用時，為獲得最小導通壓降，應選取 Ugc ≥ (1.5 ～ 3)Uge(th) ，當 Uge 增加時，導通時集射電壓 Uce 將減小，開通損耗隨之減小，但在負載短路過程中 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 的選擇不應太大，這足以使 IGBT 完全飽和，同時也限制了短路電流及其所帶來的應力 ( 在具有短路工作過程的設備中，如在電機中使用 IGBT 時， +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 對電源的要求
對于全橋或半橋電路來說，上下管的驅(qū)動電源要相互隔離，由于 IGBT 是電壓控制器件，所需要的驅(qū)動功率很小，主要是對其內(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電流，要使 IGBT 迅速關(guān)斷，應盡量減小電源的內(nèi)阻，并且為防止 IGBT 關(guān)斷時產(chǎn)生的 du/dt 誤使 IGBT 導通，應加上一個 -5 V 的關(guān)柵電壓，以確保其完全可靠的關(guān)斷 ( 過大的反向電壓會造成 IGBT 柵射反向擊穿，一般為 -2 ～ 10 V 之間 ) 。

1.3 對驅(qū)動波形的要求
    從減小損耗角度講，門極驅(qū)動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 快速開通，達到飽和的時間很短，因此可以降低開通損耗，同理，在 IGBT 關(guān)斷時，陡峭的下降沿可以縮短關(guān)斷時間，從而減小了關(guān)斷損耗，發(fā)熱量降低。但在實際使用中，過快的開通和關(guān)斷在大電感負載情況下反而是不利的。因為在這種情況下， IGBT 過快的開通與關(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。此電壓有可能會造成 IGBT 或其他元器件被過壓擊穿而損壞。所以在選擇驅(qū)動波形的上升和下降速度時，應根據(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 對驅(qū)動功率的要求
    由于 IGBT 的開關(guān)過程需要消耗一定的電源功率，最小峰值電流可由下式求出：
    I GP = △ 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)動電源的平均功率為：
    P AV =C ge △ Uge 2 f,
式中． f 為開關(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，應在 IGBT 柵極串上合適的電阻 Rg 。當 Rg 增大時， IGBT 導通時間延長，損耗發(fā)熱加劇； Rg 減小時， di/dt 增高，可能產(chǎn)生誤導通，使 IGBT 損壞。應根據(jù) IGBT 的電流容量和電壓額定值以及開關(guān)頻率來選取 Rg 的數(shù)值。通常在幾歐至幾十歐之間 ( 在具體應用中，還應根據(jù)實際情況予以適當調(diào)整 ) 。另外為防止門極開路或門極損壞時主電路加電損壞 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
    合理的柵極布線對防止?jié)撛谡鹗帲瑴p小噪聲干擾，保護 IGBT 正常工作有很大幫助。
    a ．布線時須將驅(qū)動器的輸出級和 lGBT 之間的寄生電感減至最低 ( 把驅(qū)動回路包圍的面積減到最小 ) ；
    b ．正確放置柵極驅(qū)動板或屏蔽驅(qū)動電路，防止功率電路和控制電路之間的耦合；
    c ．應使用輔助發(fā)射極端子連接驅(qū)動電路；
    d ．驅(qū)動電路輸出不能和 IGBT 柵極直接相連時，應使用雙絞線連接 (2 轉(zhuǎn)／ cm) ；
    e ．柵極保護，箝位元件要盡量靠近柵射極。

1.7 隔離問題
    由于功率 IGBT 在電力電子設備中多用于高壓場合，所以驅(qū)動電路必須與整個控制電路在電位上完全隔離，主要的途徑及其優(yōu)缺點如表 1 所示。
  

2 典型的門極驅(qū)動電路介紹
2.1 脈沖變壓器驅(qū)動電路
    脈沖變壓器驅(qū)動電路如圖 2 所示， V1 ～ V4 組成脈沖變壓器一次側(cè)驅(qū)動電路，通過控制 V1 、 V4 和 V2 、 V3 的輪流導通，將驅(qū)動脈沖加至變壓器的一次側(cè)，二次側(cè)通過電阻 R1 與 IGBT5 柵極相連， R1 、 R2 防止 IGBT5 柵極開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，避免過高的柵射電壓擊穿柵極。柵射電壓一般不應超過 20 V 。

圖 2 脈沖變壓器驅(qū)動電路

2.2 光耦隔離驅(qū)動電路
    光耦隔離驅(qū)動電路如圖 3 所示。由于 IGBT 是高速器件，所選用的光耦必須是小延時的高速型光耦，由 PWM 控制器輸出的方波信號加在三極管 V1 的基極， V1 驅(qū)動光耦將脈沖傳遞至整形放大電路 IC1 ，經(jīng) IC1 放大后驅(qū)動由 V2 、 V3 組成的對管 (V2 、 V3 應選擇β >100 的開關(guān)管 ) 。對管的輸出經(jīng)電阻 R1 驅(qū)動 IGBT4 ， R3 為柵射結(jié)保護電阻， R2 與穩(wěn)壓管 VS1 構(gòu)成負偏壓產(chǎn)生電路， VS1 通常選用 1 W/5.1 V 的穩(wěn)壓管。此電路的特點是只用 1 組供電就能輸出正負驅(qū)動脈沖，使電路比較簡潔。

圖 3 光耦隔離驅(qū)動電路
2.3 驅(qū)動模塊構(gòu)成的驅(qū)動電路
    應用成品驅(qū)動模塊電路來驅(qū)動 IGBT ，可以大大提高設備的可靠性，目前市場上可以買到的驅(qū)動模塊主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。這類模塊均具備過流軟關(guān)斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號輸出功能。由于這類模塊具有保護功能完善、免調(diào)試、可靠性高的優(yōu)點，所以應用這類模塊驅(qū)動 IGBT 可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。 。典型電路如圖 4 所示。

圖 4 由驅(qū)動模塊構(gòu)成的驅(qū)動電路
    HCPL316J 可以驅(qū)動 150 A/1200 V 的 IGBT ，光耦隔離， COMS/TTL 電平兼容，過流軟關(guān)斷，最大開關(guān)速度 500 ns ，工作電壓 15 ～ 30 V ，欠壓保護。輸出部分為三重復合達林頓管，集電極開路輸出。采用標準 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)生的控制信號加在 316j 的第 1 腳，輸入部分需要 1 個 5 V 電源， RESET 腳低電平有效，故障信號輸出由第 6 腳送至 PWM 的關(guān)閉端，在發(fā)生過流情況時及時關(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)生正負脈沖輸出， 14 腳為過流檢測端，通過二極管 VDDESAT 檢測 IGBT 集電極電壓，在 IGBT 導通時，如果集電極電壓超過 7 V ，則認為是發(fā)生了過流現(xiàn)象， HCPL316J 慢速關(guān)斷 IGBT ，同時由第 6 腳送出過流信號。