关于高频电源模块驱动电路设计
时间：08-09
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1、驱动电路的基本要求
一个理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能：
(1)动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动电压脉冲；
(2)IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态，瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区而损坏；
(3)能向IGBT提供适当的正向栅压，一般取+15V为宜；
(4)能向IGBT提供足够的反向栅压，利于IGBT的快速关断，幅值一般为5V-15V；
(5)由于IGBT多用于高压场合，驱动电路必需有足够的输入输出电隔离能力且不影响驱动信号的正常传输；
(6)具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿；
(7)输入输出信号传输具有尽可能短的延时；
(8)当IGBT负载短路或过流时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现软关断；
(9)当出现过流、短路等情况时能迅速发出过流保护信号供给控制电路进行处理。
2、驱动器的选择
目前，市场上常见的驱动器有日本富士EXB系列、日本英达HR系列、日本三菱M579系列及美国Unitrode公司的UC系列，它们功能大致相同，但也有许多不同之处。目前国内流行使用的EXB841不具备定时逻辑栅压控制的功能，过流时若驱动器入口信号消失，则其出口信号随之消失而损坏IGBT，且关断负压－5V不够可靠。
HR065的短路保护稳定，但可靠性差。经过对比分析，我们选用日本三菱公司的M57962AL驱动器。该驱动器具有如下特点:
(1)采用高速光偶隔离，输入输出隔离绝缘强度高 ；
(2)输入输出电平与TTL电平兼容，适于单片机控制；
(3)内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有廷时保护特性；
(4)具有可靠通断措施(采用双电源供电)；
(5)驱动功率大，可以驱动600A/600V或400A/1200V的IGBT模块。
M57962AL是厚模单列直插式封装，如图1所示，是从左至右依次编号，其中9～12为空端。各引脚功能如下：
1端和2端：故障检测输入端；
4端：接正电源VCC ；
5端：驱动信号输出端 ；
6端：接负电源VEE ；
8端：故障信号输出 ；
13端和14端：驱动信号输入端。
图1 M57962AL芯片的外观尺寸图
M57962AL芯片的内部结构及内部保护电路如图2和图3所示。
图2 M57962AL芯片的内部结构图
图3 M57962AL的内部保护电路图
3、 驱动电路的实现
IGBT的驱动电路原理图如图4所示。
图4 IGBT的驱动电路原理图
图中Q1为由控制电路产生的驱动信号输入，fault为本驱动电路在检测到过流等故障时发出的故障检测信号。C1、G1、E1分别接IGBT的源、栅、漏级。驱动电路的供电采用单电源加稳压管方式，主要考虑了以下几个方面的问题。
(1) 稳压管D的合理选择
驱动器M57962AL通过检测IGBT的通态饱和压降（即1脚的电压U1）来判断是否过流，当检测出IGBT的栅极和源极同为高电平时就判断为过流，此时降低栅极驱动电压。并通过光耦向控制电路发出故障信号。IGBT正常工作时的通态压降一般为2.5V～3.0V。而M57962AL的过流检测端的阀值电压Ucs设计为10V。如此高的阀值电压对诸如桥臂直通、负载短路等情况有一定的保护作用。但动作非常迟缓，甚至起不到保护作用。因此必须降低过流保护阀值，方法是在检测端串联一稳压管D2，通过实验来确定稳压管的稳压值。它们之间满足如下关系：
当芯片1脚的电压U1达到过流检测端的阀值电压UCS，M57962AL软降栅压，同时发出故障信号。VD2选取越大则允许的VCE越小，IGBT允许流过的电流值亦越小。在本课题研究中，设定的管压保护值为4.2V，对应的保护电流值为300A，所以采用的稳压管D2的压降为
(2)VCC、VEE的选取
由于IGBT导通后的管压降与所加正向栅压有关，在漏源电流一定的情况下，正向栅压增加时，通态压降下降，器件导通损耗减小。但若发生过流或短路，正向栅压越高，则电流幅值越高，IGBT越易损坏。对集电极额定电流200A的IGBT来说，VCC选择+12V～+15V比较合适，在这一点通态接近饱和值，是IGBT工作的最佳点。而为使IGBT在关断期间可靠截止，给处于截止状态的IGBT外加－10V左右的反向栅压VEE比较合适。实现电路中考虑到简化辅助电源设计的因素，采用24V单电源外加9.1V稳压管的方式为驱动电路供电。即：VCC＝＋15V，VEE＝－9V。
(3)栅极电阻Rg的选取
栅极驱动电阻的取值非常重要，适当数值的栅极电阻能有效地抑制振荡、减缓开关开通时间、改善电流上冲波形、减小电压浪涌。从安全可靠性角度来说，应当取较大的栅电阻，但是，较大的栅电阻影响开关速度、增加开关损耗。从提高工作频率角度，应当取较小的栅电阻。一般情况下，可靠性是第一位的，因此使用中倾向于取较大值的电阻。栅极电阻的最佳值应当通过实验确定。本文中经过实验调试，选择Rg=4.7Ω。
(4)电容Ctrip的选取
M57962AL与M57962L的不同之处就在于，M57962AL利用改变引脚2，4之间的电容Ctrip可以对短路保护检测时间进行调整，应用比较灵活。若2脚悬空，短路保护检测时间为2.6μs，保护动作太灵敏常容易引起误动作。为此，通过接在2，4脚之间一个电容Ctrip来调节保护时间，选取1000pF左右的电容，保护时间大约为3μs。若保护仍然过于敏感，可改用3300pF的电容，此时保护时间约为6μs。
此外，对于M57962AL驱动电路，在以下两种情况容易导致驱动电路失去负偏压：一是产生负偏压的稳压二极管D2被击穿短路；二是驱动电路在单电源供电时，因失去电源供电电压的时候。此时若按传统的M57962AL单电源供电的典型接法(如图5)，并没有保护信号给出，易造成IGBT的损坏。
图5 M57962AL的典型接法
针对上述情况，对M57962AL的外围电路进行了一些改进（如图4所示）。在正常情况下，D4导通，M57962AL的8脚为高电平，D1截止，VT导通，光耦输出呈低阻态，故障信号为低电平，表现为无故障。过流保护时，D4导通，M57962AL的8脚为低电平，D1导通，VT截止，光耦输出呈高阻态，故障信号为高电平，表现为有故障发生。如果稳压二极管D2击穿短路，则D4截止，VT截止，光耦输出呈高阻态，同样给出故障信号。如果驱动电路失去+24V电压，则光耦无电流流过，仍然表现为故障保护。这样就避免了IGBT因为失去负偏压或者失去供电而导致损坏。另外这里为了加快对故障信号的反应，故障保护输出光耦选用高速光耦6N137。
4 结语
性能优越的驱动电路是高频电源模块运行可靠的保证。采用驱动器M57962AL实现IGBT的驱动电路，可以使IGBT工作可靠，性能稳定。
一个理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能：
(1)动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动电压脉冲；
(2)IGBT导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态，瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区而损坏；
(3)能向IGBT提供适当的正向栅压，一般取+15V为宜；
(4)能向IGBT提供足够的反向栅压，利于IGBT的快速关断，幅值一般为5V-15V；
(5)由于IGBT多用于高压场合，驱动电路必需有足够的输入输出电隔离能力且不影响驱动信号的正常传输；
(6)具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿；
(7)输入输出信号传输具有尽可能短的延时；
(8)当IGBT负载短路或过流时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现软关断；
(9)当出现过流、短路等情况时能迅速发出过流保护信号供给控制电路进行处理。
2、驱动器的选择
目前，市场上常见的驱动器有日本富士EXB系列、日本英达HR系列、日本三菱M579系列及美国Unitrode公司的UC系列，它们功能大致相同，但也有许多不同之处。目前国内流行使用的EXB841不具备定时逻辑栅压控制的功能，过流时若驱动器入口信号消失，则其出口信号随之消失而损坏IGBT，且关断负压－5V不够可靠。
HR065的短路保护稳定，但可靠性差。经过对比分析，我们选用日本三菱公司的M57962AL驱动器。该驱动器具有如下特点:
(1)采用高速光偶隔离，输入输出隔离绝缘强度高 ；
(2)输入输出电平与TTL电平兼容，适于单片机控制；
(3)内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有廷时保护特性；
(4)具有可靠通断措施(采用双电源供电)；
(5)驱动功率大，可以驱动600A/600V或400A/1200V的IGBT模块。
M57962AL是厚模单列直插式封装，如图1所示，是从左至右依次编号，其中9～12为空端。各引脚功能如下：
1端和2端：故障检测输入端；
4端：接正电源VCC ；
5端：驱动信号输出端 ；
6端：接负电源VEE ；
8端：故障信号输出 ；
13端和14端：驱动信号输入端。
图1 M57962AL芯片的外观尺寸图
M57962AL芯片的内部结构及内部保护电路如图2和图3所示。
图2 M57962AL芯片的内部结构图
图3 M57962AL的内部保护电路图
3、 驱动电路的实现
IGBT的驱动电路原理图如图4所示。
图4 IGBT的驱动电路原理图
图中Q1为由控制电路产生的驱动信号输入，fault为本驱动电路在检测到过流等故障时发出的故障检测信号。C1、G1、E1分别接IGBT的源、栅、漏级。驱动电路的供电采用单电源加稳压管方式，主要考虑了以下几个方面的问题。
(1) 稳压管D的合理选择
驱动器M57962AL通过检测IGBT的通态饱和压降（即1脚的电压U1）来判断是否过流，当检测出IGBT的栅极和源极同为高电平时就判断为过流，此时降低栅极驱动电压。并通过光耦向控制电路发出故障信号。IGBT正常工作时的通态压降一般为2.5V～3.0V。而M57962AL的过流检测端的阀值电压Ucs设计为10V。如此高的阀值电压对诸如桥臂直通、负载短路等情况有一定的保护作用。但动作非常迟缓，甚至起不到保护作用。因此必须降低过流保护阀值，方法是在检测端串联一稳压管D2，通过实验来确定稳压管的稳压值。它们之间满足如下关系：
当芯片1脚的电压U1达到过流检测端的阀值电压UCS，M57962AL软降栅压，同时发出故障信号。VD2选取越大则允许的VCE越小，IGBT允许流过的电流值亦越小。在本课题研究中，设定的管压保护值为4.2V，对应的保护电流值为300A，所以采用的稳压管D2的压降为
(2)VCC、VEE的选取
由于IGBT导通后的管压降与所加正向栅压有关，在漏源电流一定的情况下，正向栅压增加时，通态压降下降，器件导通损耗减小。但若发生过流或短路，正向栅压越高，则电流幅值越高，IGBT越易损坏。对集电极额定电流200A的IGBT来说，VCC选择+12V～+15V比较合适，在这一点通态接近饱和值，是IGBT工作的最佳点。而为使IGBT在关断期间可靠截止，给处于截止状态的IGBT外加－10V左右的反向栅压VEE比较合适。实现电路中考虑到简化辅助电源设计的因素，采用24V单电源外加9.1V稳压管的方式为驱动电路供电。即：VCC＝＋15V，VEE＝－9V。
(3)栅极电阻Rg的选取
栅极驱动电阻的取值非常重要，适当数值的栅极电阻能有效地抑制振荡、减缓开关开通时间、改善电流上冲波形、减小电压浪涌。从安全可靠性角度来说，应当取较大的栅电阻，但是，较大的栅电阻影响开关速度、增加开关损耗。从提高工作频率角度，应当取较小的栅电阻。一般情况下，可靠性是第一位的，因此使用中倾向于取较大值的电阻。栅极电阻的最佳值应当通过实验确定。本文中经过实验调试，选择Rg=4.7Ω。
(4)电容Ctrip的选取
M57962AL与M57962L的不同之处就在于，M57962AL利用改变引脚2，4之间的电容Ctrip可以对短路保护检测时间进行调整，应用比较灵活。若2脚悬空，短路保护检测时间为2.6μs，保护动作太灵敏常容易引起误动作。为此，通过接在2，4脚之间一个电容Ctrip来调节保护时间，选取1000pF左右的电容，保护时间大约为3μs。若保护仍然过于敏感，可改用3300pF的电容，此时保护时间约为6μs。
此外，对于M57962AL驱动电路，在以下两种情况容易导致驱动电路失去负偏压：一是产生负偏压的稳压二极管D2被击穿短路；二是驱动电路在单电源供电时，因失去电源供电电压的时候。此时若按传统的M57962AL单电源供电的典型接法(如图5)，并没有保护信号给出，易造成IGBT的损坏。
图5 M57962AL的典型接法
针对上述情况，对M57962AL的外围电路进行了一些改进（如图4所示）。在正常情况下，D4导通，M57962AL的8脚为高电平，D1截止，VT导通，光耦输出呈低阻态，故障信号为低电平，表现为无故障。过流保护时，D4导通，M57962AL的8脚为低电平，D1导通，VT截止，光耦输出呈高阻态，故障信号为高电平，表现为有故障发生。如果稳压二极管D2击穿短路，则D4截止，VT截止，光耦输出呈高阻态，同样给出故障信号。如果驱动电路失去+24V电压，则光耦无电流流过，仍然表现为故障保护。这样就避免了IGBT因为失去负偏压或者失去供电而导致损坏。另外这里为了加快对故障信号的反应，故障保护输出光耦选用高速光耦6N137。
4 结语
性能优越的驱动电路是高频电源模块运行可靠的保证。采用驱动器M57962AL实现IGBT的驱动电路，可以使IGBT工作可靠，性能稳定。
电路 IGBT 电压 电流 单片机 电路图 电阻 电容 二极管 电源模块 相关文章：
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