IGBT驅(qū)動

　　絕緣柵雙極晶體管IGBT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，自關(guān)斷、開關(guān)頻率高(10-40 kHz)的特點，是發(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)。

產(chǎn)品簡介

　　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?。籖g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 kΩ左右。

　　1.6柵極布線要求

　　合理的柵極布線對防止?jié)撛谡鹗?，減小噪聲干擾，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。

　　表1驅(qū)動電路與控制電路隔離的途徑及優(yōu)缺點

　　利用光電耦合器進行隔離

　　優(yōu)點：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、應用方便、輸出脈寬不受限制，適用于PWM控制器

　　缺點

　　1、共模干擾抑制不理想

　　2、響應速度慢，在高頻狀態(tài)下應用受限制

　　3、需要相互隔離的輔助電源

　　利用脈沖變壓器進行隔離

　　優(yōu)點：響應速度快，共模干擾抑制效果好

　　缺點：

　　1、信號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，加工工藝復雜

　　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。EXB840和M57962很多資料都有介紹，KA101和KA102的資料可以從百度搜索，這里就簡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。

　　3、結(jié)語

　　通過對IGBT門極驅(qū)動特點的分析及典型應用電路的介紹，使大家對IGBT的應用有一定的了解。可作為設計IGBT驅(qū)動電路的參考。

工作原理

　　驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導致IGBT和驅(qū)動器損壞。以下總結(jié)了一些關(guān)于IGBT驅(qū)動器輸出性能的計算方法以供選型時參考。

　　igbt驅(qū)動電路是驅(qū)動igbt模塊以能讓其正常工作，并同時對其進行保護的電路。

　　絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在今天的電力電子領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應用，在實際使用中除IGBT自身外，IGBT驅(qū)動器的作用對整個換流系統(tǒng)來說同樣至關(guān)重要。驅(qū)動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。

　　因此，在IGBT數(shù)據(jù)手冊中給出的電容Cies值在實際應用中僅僅只能作為一個參考值使用。

　　IGBT的開關(guān)特性主要取決于IGBT的門極電荷及內(nèi)部和外部的電阻

技術(shù)現(xiàn)狀

　　現(xiàn)有技術(shù)概述

　　市場上的驅(qū)動器產(chǎn)品簡介

　　TX系列驅(qū)動器介紹

現(xiàn)有技術(shù)

　　開關(guān)電源中大功率器件驅(qū)動電路的設計一向是電源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。普通大功率三極管和絕緣柵功率器件(包括VMOS場效應管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等),由于器件結(jié)構(gòu)的不同，具體的驅(qū)動要求和技術(shù)也大不相同。前者屬于電流控制器件，要求合適的電流波形來驅(qū)動；后者屬于電場控制器件，要求一定的電壓來驅(qū)動。本文只介紹后者的情況。

　　VMOS場效應管(以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件)的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的靜態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但是柵極和源極之間構(gòu)成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關(guān)斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容Cgs較大，在1-100nF,甚至更大，因而需要較大的動態(tài)驅(qū)動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg,柵極驅(qū)動功率是不可忽視的。

　　為可靠驅(qū)動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅(qū)動信號與功率器件不需要隔離時，驅(qū)動電路的設計是比較簡單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅(qū)動集成電路，如IR2110。當需要驅(qū)動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般有兩種途徑：采用光電耦合器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。

　　光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是：A.反應較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。

　　用脈沖變壓器隔離驅(qū)動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅(qū)動。

　　無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅(qū)動絕緣柵器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅(qū)動電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大，因而柵源間的波形Vgs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，相應脈沖變壓器也應取較大體積。

　　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(qū)動絕緣柵功率器件，當然驅(qū)動波形好，但是需要另外提供隔離的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。

　　自給電源方法的已有技術(shù)是對PWM驅(qū)動信號進行高頻(1MHz以上)調(diào)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(diào)制信號則需經(jīng)過解調(diào)取得，顯然，這種方法并不簡單,價格當然也較高。調(diào)制的優(yōu)點是可以傳遞的占空比不受限制。

　　分時式自給電源技術(shù)，是國內(nèi)的發(fā)明專利技術(shù)，其特點是變壓器在輸入PWM信號的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅(qū)動所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術(shù)的缺點是占空比一般只能達到5－95%。

市場現(xiàn)狀

　　當前市場上的成品驅(qū)動器，按驅(qū)動信號與被驅(qū)動的絕緣柵器件的電氣關(guān)系來分，可分為直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種，其中隔離驅(qū)動的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。

　　不隔離的直接驅(qū)動器

　　在Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開關(guān)管的源極位于輸入電源的下軌，PWM IC輸出的驅(qū)動信號一般不必與開關(guān)管隔離，可以直接驅(qū)動。如果需要較大的驅(qū)動能力，可以加接一級放大器或是串上一個成品驅(qū)動器。直接驅(qū)動的成品驅(qū)動器一般都采用薄膜工藝制成IC電路，調(diào)節(jié)電阻和較大的電容由外引腳接入。

　　目前的成品驅(qū)動器種類不少，如TI公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，Onsemi公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR公司的IR21XX系列，等等，種類繁多，本文不作具體介紹，讀者可查閱相關(guān)資料。

　　使用光電耦合器的上的IGBT。

靜態(tài)測試

輸出波形

　　帶保護功能的驅(qū)動器和驅(qū)動板，用戶如要測試正常的靜態(tài)(不加主電情況下)輸出波形，需要注意以下幾點：

　　1、如果功率管IGBT或MOSFET已經(jīng)連接在電路中了，則加上驅(qū)動電源和PWM輸入信號，就可以在輸出端用示波器看到相應的輸出信號。

　　2、如果功率管沒有接，只是在做一個輸出測試，那么必須將應接功率管集電極和發(fā)射極(或漏極和源極)的兩點予以短路才行。因為如果集電極或漏極懸空，那么驅(qū)動器或驅(qū)動板將認為功率管處于短路狀態(tài)而啟動內(nèi)部的保護機制，這時看到的將是驅(qū)動器輸出的保護信號波形，無論是波形形狀還是周期都與輸入的PWM信號完全不同。

短路保護

　　IGBT在應用中要解決的主要問題就是如何在過流、短路和過壓的情況下對IGBT實行比較完善的保護。過流故障一般需要稍長的時間才使電源過熱，因此對它的保護都由主控制板來解決。過壓一般發(fā)生在IGBT關(guān)斷時，較大的di/dt在寄生電感上產(chǎn)生了較高的電壓，這需要用緩沖電路來鉗制，或者適當降低關(guān)斷的速率。短路故障發(fā)生后瞬時就會產(chǎn)生極大的電流，很快就會損壞IGBT，主控制板的過流保護根本來不及，必須由驅(qū)動電路或驅(qū)動器立刻加以保護。

　　因此驅(qū)動器的短路保護功能設計的是否完善，對電源的安全運行至關(guān)重要。拿到一個驅(qū)動電路，使用前先測試一下它的短路保護功能是否完善，是很有必要的。本文介紹兩種測試方法。

　　1、第一種測試方法

　　圖中PWM信號送到驅(qū)動器的信號輸入端，故障后再啟動電容Creset=10nF，Dhv是高反壓快恢復管，限流電阻Rlimit=10－100R，電容C=10－470uF。示波器可在驅(qū)動器的輸入和輸出端監(jiān)測。如果不接Creset，則驅(qū)動器輸出端輸出的是約1ms的脈沖，也就是IGBT每1ms短路一次。考慮到有的IGBT在這種情況下時間長了仍有可能過熱燒毀，接入10nF的Creset后，則為約12ms短路一次，保證了IGBT的安全。

　　過流動作閾值設置電阻Rn的選取，請根據(jù)所試驅(qū)動器說明中的關(guān)于Rn的說明和所試驗IGBT的正向伏安特性曲線選取合適的阻值。

　　在單管電路的開關(guān)電源中，接入適當?shù)腃reset后，可以省去通常的短路信號反饋光耦。

　　2、第二種測試方法

　　與第一種方法類似，只是不讓IGBT始終保持短路，用手工來短路A、B兩點。這種短路試驗比第一種更嚴酷，對驅(qū)動器的要求也更高，因為手工短路，不可能一下接實，實際是一連串的通斷過程。注意：實驗時一定注意人身安全，最好在工頻輸入處加一個隔離變壓器。

選取方法

　　一、柵極電阻Rg的作用

　　1、消除柵極振蕩

　　絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射（或柵源）極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅(qū)動器驅(qū)動脈沖的激勵下要產(chǎn)生很強的振蕩，因此必須串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。

　　2、轉(zhuǎn)移驅(qū)動器的功率損耗

　　電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多。

　　3、調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的通斷速度

　　柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗??；反之則慢，同時開關(guān)損耗大。但驅(qū)動速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴重的將使整個裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。

　　二、柵極電阻的選取

　　1、柵極電阻阻值的確定

　　各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會有很大的差異。初試可如下選?。?/span>

　　IGBT額定電流(A)

　　50

　　100

　　200

　　300

　　600

　　800

　　1000

　　1500

　　Rg阻值范圍(Ω)

　　10~20

　　5.6~10

　　3.9~7.5

　　3~5.6

　　1.6~3

　　1.3~2.2

　　1~2

　　0.8~1.5

　　不同品牌的IGBT模塊可能有各自的特定要求，可在其參數(shù)手冊的推薦值附近調(diào)試。

　　2、柵極電阻功率的確定

　　柵極電阻的功率由IGBT柵極驅(qū)動的功率決定，一般來說柵極電阻的總功率應至少是柵極驅(qū)動功率的2倍。

　　IGBT柵極驅(qū)動功率P=FUQ，其中：

　　F為工作頻率；

　　U為驅(qū)動輸出電壓的峰峰值；

　　Q為柵極電荷，可參考IGBT模塊參數(shù)手冊。

　　例如，常見IGBT驅(qū)動器(如TX-KA101)輸出正電壓15V，負電壓-9V，則U=24V，

　　假設F=10KHz，Q=2.8uC

　　可計算出P=0.67w，柵極電阻應選取2W電阻，最好是2個1W電阻并聯(lián)。

　　三、設置柵極電阻的其他注意事項

　　1、盡量減小柵極回路的電感阻抗，具體的措施有：

　　a)驅(qū)動器靠近IGBT減小引線長度；

　　b)驅(qū)動的柵射極引線絞合，并且不要用過粗的線；

　　c)線路板上的2根驅(qū)動線的距離盡量靠近；

　　d)柵極電阻使用無感電阻；

　　e)如果是有感電阻，可以用幾個并聯(lián)以減小電感。

　　2、IGBT開通和關(guān)斷選取不同的柵極電阻

　　通常為達到更好的驅(qū)動效果，IGBT開通和關(guān)斷可以采取不同的驅(qū)動速度，分別選取Rgon和Rgoff（也稱aamDw7KUL2dContent-Disposition:form-data;name="mc_al_lge"other

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