三相逆变器中IGBT的几种驱动电路的分析

1 前 言
　　
电 力 电 子 变 换 技 术 的 发 展 ， 使 得 各 种 各 样 的 电 力 电 子 器 件 得 到 了 迅 速 的 发 展 。 20世 纪 80年 代 ， 为 了 给 高 电 压 应 用 环 境 提 供 一 种 高 输 入 阻 抗 的 器 件 ， 有 人 提 出 了 绝 缘 门 极 双 极 型 晶 体 管 （ IGBT） [1>。 在 IGBT中 ， 用 一 个 MOS门 极 区 来 控 制 宽 基 区 的 高 电 压 双 极 型 晶 体 管 的 电 流 传 输 ， 这 就 产 生 了 一 种 具 有 功 率 MOSFET的 高 输 入 阻 抗 与 双 极 型 器 件 优 越 通 态 特 性 相 结 合 的 非 常 诱 人 的 器 件 ， 它 具 有 控 制 功 率 小 、 开 关 速 度 快 和 电 流 处 理 能 力 大 、 饱 和 压 降 低 等 性 能 。 在 中 小 功 率 、 低 噪 音 和 高 性 能 的 电 源 、 逆 变 器 、 不 间 断 电 源 （ UPS） 和 交 流 电 机 调 速 系 统 的 设 计 中 ， 它 是 目 前 最 为 常 见 的 一 种 器 件 。
　　
功 率 器 件 的 不 断 发 展 ， 使 得 其 驱 动 电 路 也 在 不 断 地 发 展 ， 相 继 出 现 了 许 多 专 用 的 驱 动 集 成 电 路 。 IGBT的 触 发 和 关 断 要 求 给 其 栅 极 和 基 极 之 间 加 上 正 向 电 压 和 负 向 电 压 ， 栅 极 电 压 可 由 不 同 的 驱 动 电 路 产 生 。 当 选 择 这 些 驱 动 电 路 时 ， 必 须 基 于 以 下 的 参 数 来 进 行 ： 器 件 关 断 偏 置 的 要 求 、 栅 极 电 荷 的 要 求 、 耐 固 性 要 求 和 电 源 的 情 况 。 图 1为 一 典 型 的 IGBT驱 动 电 路 原 理 示 意 图 。 因 为 IGBT栅 极 ? 发 射 极 阻 抗 大 ， 故 可 使 用MOSFET驱 动 技 术 进 行 触 发 ， 不 过 由 于 IGBT的 输 入 电 容 较 MOSFET为 大 ， 故 IGBT的 关 断 偏 压 应 该 比 许 多 MOSFET驱 动 电 路 提 供 的 偏 压 更 高 。

对 IGBT驱 动 电 路 的 一 般 要 求 [2>[3>：

1） 栅 极 驱 动 电 压 IGBT开 通 时 ， 正 向 栅 极 电 压 的 值 应 该 足 够 令 IGBT产 生 完 全 饱 和 ， 并 使 通 态 损 耗 减 至 最 小 ， 同 时 也 应 限 制 短 路 电 流 和 它 所 带 来 的 功 率 应 力 。 在 任 何 情 况 下 ， 开 通 时 的 栅 极 驱 动 电 压 ， 应 该 在 12～ 20 V之 间 。 当 栅 极 电 压 为 零 时 ， IGBT处 于 断 态 。 但 是 ， 为 了 保 证 IGBT在 集 电 极 ? 发 射 极 电 压 上 出 现 dv/dt噪 声 时 仍 保 持 关 断 ， 必 须 在 栅 极 上 施 加 一 个 反 向 关 断 偏 压 ， 采 用 反 向 偏 压 还 减 少 了 关 断 损 耗 。 反 向 偏 压 应 该 在 － 5～ － 15 V之 间 。

2） 串 联 栅 极 电 阻 （ Rg） 选 择 适 当 的 栅 极 串 联 电 阻 对 IGBT栅 极 驱 动 相 当 重 要 。 IGBT的 开 通 和 关 断 是 通 过 栅 极 电 路 的 充 放 电 来 实 现 的 ， 因 此 栅 极 电 阻 值 将 对 IGBT的 动 态 特 性 产 生 极 大 的 影 响 。 数 值 较 小 的 电 阻 使 栅 极 电 容 的 充 放 电 较 快 ， 从 而 减 小 开 关 时 间 和 开 关 损 耗 。 所 以 ， 较 小 的 栅 极 电 阻 增 强 了 器 件 工 作 的 耐 固 性 （ 可 避 免 dv/dt带 来 的 误 导 通 ） ， 但 与 此 同 时 ， 它 只 能 承 受 较 小 的 栅 极 噪 声 ， 并 可 能 导 致 栅 极 － 发 射 极 电 容 和 栅 极 驱 动 导 线 的 寄 生 电 感 产 生 振 荡 。

3） 栅 极 驱 动 功 率 IGBT要 消 耗 来 自 栅 极 电 源 的 功 率 ， 其 功 率 受 栅 极 驱 动 负 、 正 偏 置 电 压 的 差 值 Δ UGE、 栅 极 总 电 荷 QG和 工 作 频 率 fs的 影 响 。 电 源 的 最 大 峰 值 电 流 IGPK为 ：

在 本 文 中 ， 我 们 将 对 几 种 最 新 的 用 于 IGBT驱 动 的 集 成 电 路 做 一 个 详 细 的 介 绍 ， 讨 论 其 使 用 方 法 和 优 缺 点 及 使 用 过 程 中 应 注 意 的 问 题 。

2 几 种 用 于 IGBT驱 动 的 集 成 芯 片
　　
2. 1 TLP250（ TOSHIBA公 司 生 产 ）
　　
在 一 般 较 低 性 能 的 三 相 电 压 源 逆 变 器 中 ， 各 种 与 电 流 相 关 的 性 能 控 制 ， 通 过 检 测 直 流 母 线 上 流 入 逆 变 桥 的 直 流 电 流 即 可 ， 如 变 频 器 中 的 自 动 转 矩 补 偿 、 转 差 率 补 偿 等 。 同 时 ， 这 一 检 测 结 果 也 可 以 用 来 完 成 对 逆 变 单 元 中 IGBT实 现 过 流 保 护 等 功 能 。 因 此 在 这 种 逆 变 器 中 ， 对 IGBT驱 动 电 路 的 要 求 相 对 比 较 简 单 ， 成 本 也 比 较 低 。 这 种 类 型 的 驱 动 芯 片 主 要 有 东 芝 公 司 生 产 的 TLP250， 夏 普 公 司 生 产 的 PC923等 等 。 这 里 主 要 针 对 TLP250做 一 介 绍 。
　　
TLP250包 含 一 个 GaAlAs光 发 射 二 极 管 和 一 个 集 成 光 探 测 器 ， 8脚 双 列 封 装 结 构 。 适 合 于 IGBT或 电 力 MOSFET栅 极 驱 动 电 路 。 图 2为 TLP250的 内 部 结 构 简 图 ， 表 1给 出 了 其 工 作 时 的 真 值 表 。