IGBT集成驱动模块的研究

随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模块化发展，绝缘栅双极品体管(IGBT)已广泛应用于开关电源、变频器、电机控制以及要求快速、低损耗的领域中。IGBT是复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET和GTR的优点：输入阻抗高，驱动功率小，通态压降小，工作频率高和动态响应快。目前，市场上500"3000V，800～l800A的IGBT，因其耐高压、功率大的特性，已成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件。

1 驱动保护电路的原则

由于是电压控制型器件，因此只要控制ICBT的栅极电压就可以使其开通或关断，并且开通时维持比较低的通态压降。研究表明，IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化。因此，为了保证IGBT可靠工作，驱动保护电路至关重要。

IGBT驱动保护电路的原则如下。

(1)动态驱动能力强，能为栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；

(2)开通时能提供合适的正向栅极电压(12"15V)，关断时可以提供足够的反向关断栅极电压(一5V)；

(3)尽可能少的输入输出延迟时间，以提高工作效率；

(4)足够高的输入输出电气隔离特性，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；

(5)出现短路、过流的情况下，具有灵敏的保护能力。

目前，在实际应用中，普遍使用驱动与保护功能合为一体的IGBT专用的驱动模块。

2 集成驱动模块

为了解决IGBT的可靠驱动问题，世界上各厂家丌发出了众多的IGBT集成驱动模块。如日本富士公司的EXB系列，三菱电机公司的M57系列，三社电机公司的GH系列，美国国际整流器公司的TR系列，Unitrode公司的UC37系列以及国产的HL系列。以下是几种典型的集成驱动模块。

2.1 EXB841模块的分析

EX841高速驱动模块为15脚单列直插式结构，采用高隔离电压光耦合器作为信号隔离，内部结构图如图l所示，其工作频率可达40 kHz，可以驱动400 M600 V以内及300 A/l200 V的IGBT管，其隔离电压可达2500AC/min，工作电源为独立电源20±1V，内部含有一5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供一5V的偏置电压，使其可靠关断。当脚15和脚14有10 mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT在1μs内导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使IGBT关断；若ICBT导通时因承受短路电流而退出饱和，Vce迅速上升，脚6悬空，脚3电位在短路后约3．5μs后才开始软降。



EXB841典型应用图如图2所示，电容C1、C2用于吸收高频噪音。当脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管D1检测IGBT的C—E间的电压。当Vce＞7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，在10μs内将脚3输出电平降为O。因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护。



缺点：EXB84l过流保护阀值过高，Vce＞7V时动作，此时已远大于饱和压降；存在保护肓区；在实现止常关断时仅能提供一5V偏压，在开关频率较高、负载过大时，关断就显得不可靠；无过流保护自锁功能，在短路保护时其栅压的软关断过程被输入的关断信号所打断。

2．2 M57962L模块的分析

M57962AL是一种14脚单列直捕式结构的厚膜驱动模块，其内部结构图如图3所示。它由光耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及门关断电路组成，驱动功率大，町以驱动600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模块。



M5796AL具有高速的输入输出隔离，绝缘电压也可达到AC 2500V/min；输入电平与TTL电平兼容，适于单片机控制；内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性；采用双电源供电方式，相对于EXB84l来说，虽然多使用一个电源．但IGBT可以更可靠地通断。

典型应用图如图4所示。当驱动信号通过脚14和脚13时，经过高速光耦隔离，由M57962AL内置接口电路传输至功率放大极，在M57962AL的脚5产生+15V开栅和一10V关栅电压，驱动IGBT通断。当脚1检测到电压为7V时，模块认定电路短路，立即通过光耦输出关断信号，使脚5输出低电平，从而将IGBT的G—E两端置于负向偏置，可靠关断。同时，输出误差信号使故障输出端(脚8)为低电平，从而驱动外接的保护电路工作。延时2～3s后，若检测到脚13为高电平，则M57962AL恢复工作。稳压管DZ1用于防止D1击穿而损坏M57962AL，Rg为限流电阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以确保可靠通断。


比较：与EXB841相比，M57962AL需要双电源(+15V，一1OV)供电，外周电路复杂。而正是因为M57962AL可输出一10V的偏压，使得IGBT可靠地关断；另外，M57962AL具有过流保护自动闭锁功能，并且软关断时间可外部调节，而EXB84l的软关断时间无法调节。所以M57962AL较EXB841更安全、可靠。