浅析IGBT门级驱动
时间：10-02
整理：3721RD
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绝缘栅双极晶体管IGBT是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40 kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。在此根据长期使用IGBT的经验并参考有关文献对IGBT的门极驱动问题做了一些总结，希望对广大IGBT应用人员有一定的帮助。 1 IGBT门极驱动要求
1.1 栅极驱动电压
因IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行驱动，但IGBT的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。图1是一个典型的例子。在+20℃情况下，实测60 A，1200 V以下的IGBT开通电压阀值为5～6 V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge增加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc的选择不应太大，这足以使IGBT完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力)。
1.2 对电源的要求
对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5 V的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿，一般为-2～10 V之间)。
1.3 对驱动波形的要求
从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压Ldi/dt，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及du/dt吸收电路性能综合考虑。
1.4 对驱动功率的要求
由于IGBT的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：
IGP=△Uge/RG+Rg;
式中△Uge=+Uge+|Uge|;RG是IGBT内部电阻;Rg是栅极电阻。
驱动电源的平均功率为：
PAV=Cge△Uge2f,
式中.f为开关频率;Cge为栅极电容。
1.5栅极电阻
为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT集电极的电压尖峰，应在IGBT栅极串上合适的电阻Rg。当Rg增大时，IGBT导通时间延长，损耗发热加剧;Rg减小时，di/dt增高，可能产生误导通，使IGBT损坏。应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取Rg的数值。通常在几欧至几十欧之间(在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整)。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏IGBT，建议在栅射间加入一电阻Rge，阻值为10 kΩ左右。
1.6栅极布线要求
合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT正常工作有很大帮助。
a.布线时须将驱动器的输出级和lGBT之间的寄生电感减至最低(把驱动回路包围的面积减到最小);
b.正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合;
c.应使用辅助发射极端子连接驱动电路;
d.驱动电路输出不能和IGBT栅极直接相连时，应使用双绞线连接(2转/cm);
e.栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。
1.7隔离问题
由于功率IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离，主要的途径及其优缺点如表1所示。
2 典型的门极驱动电路介绍
2.1 脉冲变压器驱动电路
脉冲变压器驱动电路如图2所示，V1～V4组成脉冲变压器一次侧驱动电路，通过控制V1、V4和V2、V3的轮流导通，将驱动脉冲加至变压器的一次侧，二次侧通过电阻R1与IGBT5栅极相连，R1、R2防止IGBT5栅极开路并提供充放电回路，R1上并联的二极管为加速二极管，用以提高IGBT5的开关速度，稳压二极管VS1、VS2的作用是限制加在IGBT5g-e端的电压，避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过20 V。
2.2光耦隔离驱动电路
光耦隔离驱动电路如图3所示。由于IGBT是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由PWM控制器输出的方波信号加在三极管V1的基极，V1驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路IC1，经IC1放大后驱动由V2、V3组成的对管(V2、V3应选择β>100的开关管)。对管的输出经电阻R1驱动IGBT4，R3为栅射结保护电阻，R2与稳压管VS1构成负偏压产生电路，VS1通常选用1 W/5.1 V的稳压管。此电路的特点是只用1组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。
2.3驱动模块构成的驱动电路
应用成品驱动模块电路来驱动IGBT，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，惠普的HCPL316J、3120等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动IGBT可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。EXB840和M57962很多资料都有介绍，这里就简要介绍一下惠普公司的HCPL316J。典型电路如图4所示。
HCPL316J可以驱动150 A/1200 V的IGBT，光耦隔离，COMS/TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度500 ns，工作电压15～30 V，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准SOL-16表面贴装。
HCPL316J输入、输出部分各自排列在集成电路的两边，由PWM电路产生的控制信号加在316j的第1脚，输入部分需要1个5 V电源，RESET脚低电平有效，故障信号输出由第6脚送至PWM的关闭端，在发生过流情况时及时关闭PWM输出。输出部分采用+15 V和-5 V双电源供电，用于产生正负脉冲输出，14脚为过流检测端，通过二极管VDDESAT检测IGBT集电极电压，在IGBT导通时，如果集电极电压超过7 V，则认为是发生了过流现象，HCPL316J慢速关断IGBT，同时由第6脚送出过流信号。
3 结语
通过对IGBT门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍，使大家对IGBT的应用有一定的了解。可作为设计IGBT驱动电路的参考。
1.1 栅极驱动电压
因IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行驱动，但IGBT的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。图1是一个典型的例子。在+20℃情况下，实测60 A，1200 V以下的IGBT开通电压阀值为5～6 V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge增加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc的选择不应太大，这足以使IGBT完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力)。
1.2 对电源的要求
对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5 V的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿，一般为-2～10 V之间)。
1.3 对驱动波形的要求
从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压Ldi/dt，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及du/dt吸收电路性能综合考虑。
1.4 对驱动功率的要求
由于IGBT的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：
IGP=△Uge/RG+Rg;
式中△Uge=+Uge+|Uge|;RG是IGBT内部电阻;Rg是栅极电阻。
驱动电源的平均功率为：
PAV=Cge△Uge2f,
式中.f为开关频率;Cge为栅极电容。
1.5栅极电阻
为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT集电极的电压尖峰，应在IGBT栅极串上合适的电阻Rg。当Rg增大时，IGBT导通时间延长，损耗发热加剧;Rg减小时，di/dt增高，可能产生误导通，使IGBT损坏。应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取Rg的数值。通常在几欧至几十欧之间(在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整)。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏IGBT，建议在栅射间加入一电阻Rge，阻值为10 kΩ左右。
1.6栅极布线要求
合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT正常工作有很大帮助。
a.布线时须将驱动器的输出级和lGBT之间的寄生电感减至最低(把驱动回路包围的面积减到最小);
b.正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合;
c.应使用辅助发射极端子连接驱动电路;
d.驱动电路输出不能和IGBT栅极直接相连时，应使用双绞线连接(2转/cm);
e.栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。
1.7隔离问题
由于功率IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离，主要的途径及其优缺点如表1所示。
2 典型的门极驱动电路介绍
2.1 脉冲变压器驱动电路
脉冲变压器驱动电路如图2所示，V1～V4组成脉冲变压器一次侧驱动电路，通过控制V1、V4和V2、V3的轮流导通，将驱动脉冲加至变压器的一次侧，二次侧通过电阻R1与IGBT5栅极相连，R1、R2防止IGBT5栅极开路并提供充放电回路，R1上并联的二极管为加速二极管，用以提高IGBT5的开关速度，稳压二极管VS1、VS2的作用是限制加在IGBT5g-e端的电压，避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过20 V。
2.2光耦隔离驱动电路
光耦隔离驱动电路如图3所示。由于IGBT是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由PWM控制器输出的方波信号加在三极管V1的基极，V1驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路IC1，经IC1放大后驱动由V2、V3组成的对管(V2、V3应选择β>100的开关管)。对管的输出经电阻R1驱动IGBT4，R3为栅射结保护电阻，R2与稳压管VS1构成负偏压产生电路，VS1通常选用1 W/5.1 V的稳压管。此电路的特点是只用1组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。
2.3驱动模块构成的驱动电路
应用成品驱动模块电路来驱动IGBT，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，惠普的HCPL316J、3120等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动IGBT可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。EXB840和M57962很多资料都有介绍，这里就简要介绍一下惠普公司的HCPL316J。典型电路如图4所示。
HCPL316J可以驱动150 A/1200 V的IGBT，光耦隔离，COMS/TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度500 ns，工作电压15～30 V，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准SOL-16表面贴装。
HCPL316J输入、输出部分各自排列在集成电路的两边，由PWM电路产生的控制信号加在316j的第1脚，输入部分需要1个5 V电源，RESET脚低电平有效，故障信号输出由第6脚送至PWM的关闭端，在发生过流情况时及时关闭PWM输出。输出部分采用+15 V和-5 V双电源供电，用于产生正负脉冲输出，14脚为过流检测端，通过二极管VDDESAT检测IGBT集电极电压，在IGBT导通时，如果集电极电压超过7 V，则认为是发生了过流现象，HCPL316J慢速关断IGBT，同时由第6脚送出过流信号。
3 结语
通过对IGBT门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍，使大家对IGBT的应用有一定的了解。可作为设计IGBT驱动电路的参考。