用于功率变换器的IGBT驱动核心电路

　除了功率模块以外，每个电力电子系统都还有另外一个关键部件――就是IGBT驱动电路，它们是功率晶体管和控制器之间非常重要的接口电路。因此，选择适当的驱动电路就和逆变器整体方案的可靠性紧密相关。与此同时，驱动电路还应该具备最广泛的系统适应性和用户接口友好性。

　　例如，在一个电力电子逆变器中，微控制器提供系统正确运行所需要的数字信号。IGBT驱动电路的功能就是将来自于微控制器的信号转换成具有足够功率的驱动信号，来保证IGBTs安全地关断与开通。另一方面，IGBT驱动电路为微控制器和功率晶体管之间的电压提供电气隔离。为了在系统出现故障时功率模块得到正确和有效的保护，保护功能也被集成到驱动电路中上。

　　因此用于IGBT功率模块上的驱动电路必须能够完成门极驱动和模块保护功能。它们还必须能为控制部分和功率半导体之间提供电气隔离，并满足多种不同型号IGBT的驱动要求。为了满足上述要求，必须对现有的门极驱动电路进行优化。具体地说，就是必须在诸多因素如功能，灵活性以及性价比之间寻求最优平衡，所幸的是，在新的门极驱动电路SKYPERTM中我们做到了这一点。
结构

　　图1是SKYPERTM 驱动电路的原理框图。该电路是一个半桥电路，它具备基本驱动电路所有的功能，如电势隔离，保护功能如VCE监测，短脉冲抑制，欠压监测以及死区时间。通过使用特定用途集成电路（ASICs芯片）以及基于基本驱动器功能的驱动器设计，它需要的元器件比传统的驱动电路要少得多。

　　驱动器核心电路在＋15v稳压电源下工作并处理15v数字控制信号。

图一　 SKYPER?的原理框图

电源隔离

　　电源隔离最重要的要求就是必须具有很高的隔离电压和足够高的dv/dt。通过从原边到副边使用pF级的小容量耦合电容就可以得到高的dv/dt。这也会减小在功率半导体开关转换时由位移电流导致的信号发射干扰。就逆变器而言，IGBTs的快速开关会导致比较大的电压阶跃（高dv/dt值）。因此有必要考虑噪声信号可能会影响到控制信号。这些噪声信号可以通过电气隔离器件的耦合电容到达控制系统。

　　在上图所示的驱动核心电路中，（副边的）功率开关管与（原边的）信号电路被磁性变压器隔离，磁性变压器还传递驱动信号，驱动电流能量以及故障信号。这意味着驱动核心电路适用于电压达1700V的IGBTs。

　　使用信号变压器（脉冲变压器）不仅可以提供高质量的电气隔离，它在原边与副边间还有很高的dv/dt(50kv/us)。与光耦构成的驱动电路不一样的是，信号变压器可靠性好，而且能够进行信号的双向传递。

　　铁氧体隔离变压器为驱动电路的副边提供驱动信号，并提供驱动IGBTs开关动作所需要的能量。图2是DC/DC变换器的电路图。信号发生电路被集成到专用的ASIC芯片当中。通过两路互补的500kHz同步脉冲信号TRP和TRN输出，分别驱动一个p沟道MOSFET和一个n沟道MOSFET。为了防止上下桥臂的两个互补MOSFETs同时导通发生短路，15v脉冲信号采用互锁设计 。在副边采用了整流和稳压电路设计以产生一路正电压和一路负电压。由于集成的DC/DC变换器，就不再需要外部的隔离电源。

图2 DC/DC变换器原边
输出电路部分

　　通过为驱动核心电路中的门极电容充电可以控制IGBTs的开关动作，而门极电路的充电是通过电阻来控制的。图3是输出部分的电路。驱动核心电路的输出缓冲器由来自于DC/DC变换器的＋15v/-7v供电。如果电路工作正常（无故障），则信号通过门极电阻R0传送到IGBT的门极。图3中的门极电阻可以分解成分别对应于导通和关断时的RGon和RGoff两部分。这种电路设计的主要优点就在于针对开通过电流，关断过电压以及短路时的不同情况采取单独的开通和关断优化处理。

图3　MOSFET输出电路

　　当驱动电路（在开关转换，关断以及驱动电压过压导致击穿时）具有很高的输出性阻抗，因此门极－发射极电阻（RGE）可以防止门极电容非正常充电。
每一路输出部分的门极充电峰值电流都可达15A。这种高脉冲输出电流使得IGBTs的开通和关断时间分短，因为IGBT的门极电容充电非常迅速，这也意味着该驱动电路可以驱动大电流的IGBT模块或并联的IGBTs。

　　从本质上来讲，IGBTs开关转换所需要的电荷取决于IGBT选用的技术类型，集成电路规模，直流母线电压以及门极驱动电压。驱动电路的输出部分每个脉冲可以提供高达6.3uC的电荷。针对所选用的IGBT，以平均输出电流50mA计，则开关频率可以达到50kHz。因此SKYPERTM门极驱动电路足以驱动1400A/1200V半桥IGBT模块。

保护电路

　　为了保护IGBT在短路等情况下发生过载，副边的每个输出部分都有一个集成的实时饱和电压监测功能。该监测功在一定的消隐时间（tbl，它可由外部电路来控制时间的长短）后对IGBT的集电极－发射极电压和外部可调的参考电压（VCEstat）进行对比，如果集电极－发射极电压超过了参考电压，则该路输出立刻被关断，并且短路电路直接将故障信号传动到原边驱动核心电路的故障存储区域，在此处故障被记录，然后所有的输出被迅即关断。为了阻止电路在短路的情况下再开通，传递后续开通信号的信号电路通道被互锁，直到有复位脉冲对该电路进行复位。在IGBT退饱和监视中，必须考虑它的实时饱和电压特征。在IGBT开通的最初几个微秒，集电极－发射极电压远高于稳定后的VCEsat值。因此监测电路的响应特征在消隐时间内（图4）必须与VCEsat特征图一致。