IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

于德江 王端 楊帆

【摘要】本文介紹了IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的分類(lèi)，分析了IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)常用IGBT驅(qū)動(dòng)器如光耦隔離型、變壓器隔離型等典型電路進(jìn)行了分析，并將市場(chǎng)上常用廠(chǎng)家生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)器工作參數(shù)和性能進(jìn)行了比較，結(jié)合對(duì)工程實(shí)踐中IGBT故障的分析，討論了選用IGBT驅(qū)動(dòng)器時(shí)的參考原則。

【關(guān)鍵詞】IGBT;驅(qū)動(dòng);保護(hù)

ABSTRACT：This article describes the IGBT gate drive circuit protection classification，analysis of the trends of the IGBT driver protection circuit，common IGBT drive optocoupler isolated，transformer isolated typical circuit analysis，and common market manufacturers. IGBT drive operating parameters and compares the performance analysis on the the IGBT fault in the engineering practice to discuss the principle of selection of IGBT driver reference.

KEY WORDS：IGBT;drive;protection

絕緣門(mén)極雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor簡(jiǎn)稱(chēng)IGBT）是復(fù)合了功率場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但是IGBT 良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上的不合理，制約著IGBT的推廣及應(yīng)用。因此本文分析了IGBT對(duì)其柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求，設(shè)計(jì)一種可靠，穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動(dòng)電路[1]。

1.IGBT驅(qū)動(dòng)電路特性及可靠性分析

IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到他的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。門(mén)極電路的正偏壓、負(fù)偏壓和門(mén)極電阻的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力及電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門(mén)極正電壓的變化對(duì)IGBT的開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和電流有較大的影響，而門(mén)極負(fù)偏壓對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。同時(shí)，門(mén)極電路設(shè)計(jì)中也必須注意開(kāi)通特性，負(fù)載短路能力和由電流引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題[2-3]。

根據(jù)上述分析，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路提出以下要求和條件：

（1）由于是容性輸出輸出阻抗;因此IBGT對(duì)門(mén)極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。

（2）用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門(mén)極電容充放電，以保證門(mén)及控制電壓有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開(kāi)通后，門(mén)極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率，使IGBT 不至退出飽和而損壞。

（3）門(mén)極電路中的正偏壓應(yīng)為+12～+15V;負(fù)偏壓應(yīng)為-2V～-10V。

（4）IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻對(duì)工作性能有較大的影響，較大，有利于抑制IGBT 的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗;較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT 誤導(dǎo)通或損壞。的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其值較大。

（5）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT 的自保護(hù)功能。IGBT 的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開(kāi)關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的 G～E 極之間不能為開(kāi)路。

2.IGBT驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)

根據(jù)IGBT的靜態(tài)特性、開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性并考慮其允許的安全工作區(qū)，IGBT工作時(shí)門(mén)極驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路應(yīng)滿(mǎn)足如下基本要求：提供足夠的柵極電壓來(lái)開(kāi)通IGBT，并在開(kāi)通期間保持這個(gè)電壓;在最初開(kāi)通階段，提供足夠的柵極驅(qū)動(dòng)電流來(lái)減少開(kāi)通損耗和保證IGBT的開(kāi)通速度;在關(guān)斷期間，提供一個(gè)反向偏置電壓來(lái)提高IGBT抗暫態(tài)的能力和抗EMI噪聲的能力并減少關(guān)斷損耗;在IGBT功率電路和控制電路之間提供電氣隔離，對(duì)IGBT逆變器，一般要求的電氣隔離為2500V以上;在短路故障發(fā)生時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路能通過(guò)合理的柵極電壓動(dòng)作進(jìn)行IGBT保護(hù)，并發(fā)出故障信號(hào)到控制系統(tǒng)。

2.1 直接驅(qū)動(dòng)電路

如圖1所示，為了使IGBT穩(wěn)定工作，一般要求雙電源供電方式，即驅(qū)動(dòng)電路要求采用正、負(fù)偏壓的兩電源方式，輸入信號(hào)經(jīng)整形器整形后進(jìn)入放大級(jí)，放大級(jí)采用有源負(fù)載方式以提供足夠的門(mén)極電流。為消除可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，IGBT 的柵射極間接入了RC網(wǎng)絡(luò)組成的阻尼濾波器。此種驅(qū)動(dòng)電路適用于小容量的IGBT。

圖1 IGBT直接驅(qū)動(dòng)電路

2.2 光電隔離驅(qū)動(dòng)電路

光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。由于IGBT是高速器件，所選用的光耦必須是小延時(shí)的高速型光耦，由控制器輸出的方波信號(hào)加在三極管的基極，驅(qū)動(dòng)光耦將脈沖傳遞至整形放大電路，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)由T1、T2組成的對(duì)管。對(duì)管的輸出經(jīng)電阻R驅(qū)動(dòng)IGBT。

圖2 IGBT直接驅(qū)動(dòng)電路

2.3 變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路

圖3是IGBT的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路。圖中的輔助MOS管是N溝道增強(qiáng)型MOS管，其漏極為D、原極為S、柵極為G。P端有正信號(hào)輸入時(shí)，變壓器的二次側(cè)電壓VGS經(jīng)二極管D1向IGBT提供開(kāi)通電壓并給門(mén)極/源極結(jié)電容C充電，這時(shí)輔助MOS管受反偏（S點(diǎn)為正，G點(diǎn)為負(fù)）而阻斷，阻斷了IGBT門(mén)極結(jié)電容C經(jīng)MOS管放電。當(dāng)P端有負(fù)信號(hào)輸入，脈沖變壓器二次側(cè)VGS>0，輔助MOS管導(dǎo)通，D、S兩點(diǎn)導(dǎo)通，抽出IGBT門(mén)極結(jié)電容C的電荷，使其關(guān)斷。

圖3 IGBT直接驅(qū)動(dòng)電路

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路

應(yīng)用成品驅(qū)動(dòng)模塊電路來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT，可以大大提高設(shè)備的可靠性，目前市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的驅(qū)動(dòng)模塊主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，惠普的HCPL316J、3120等。這類(lèi)模塊均具備過(guò)流軟關(guān)斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號(hào)輸出功能。由于這類(lèi)模塊具有保護(hù)功能完善、免調(diào)試、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用這類(lèi)模塊驅(qū)動(dòng)IGBT可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。下面以三菱的驅(qū)動(dòng)模塊M57962L為例，說(shuō)明此類(lèi)電路的工作原理。

M57962L是由日本三菱電氣公司為驅(qū)動(dòng)IGBT而設(shè)計(jì)的厚膜集成電路。M57962L內(nèi)部集成了退飽和、檢測(cè)和保護(hù)單元，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)能快速響應(yīng)，但慢關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號(hào)。它輸出正驅(qū)動(dòng)電壓+15V，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓-10V。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，由光耦合器、接口電路、檢測(cè)電路、定時(shí)復(fù)位電路以及門(mén)關(guān)斷電路組成。M57962L是N溝道大功率IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路，能驅(qū)動(dòng)600V/400A和1200V/400A的IGBT。M57962L具有如下特點(diǎn)：

（1）采用快速型光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，適合20kHz的高頻開(kāi)關(guān)運(yùn)行。光耦合器一次側(cè)已串聯(lián)限流電阻（約185Ω），可將5V的電壓直接加到輸入端，具有較高輸入、輸出隔離度（Uiso=2 500V，有效值）。

（2）采用雙電源供電方式，以確保 IGBT 可靠通斷。如果采用雙電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其輸出負(fù)柵極電壓比較高。電源電壓的極限值為+18V/-15V，般取+15V/-10V。

（3）內(nèi)部集成了短路和過(guò)電流保護(hù)電路。M57962L的過(guò)電流保護(hù)電路通過(guò)檢測(cè) IGBT 的飽和壓降來(lái)判斷是否過(guò)電流，一旦過(guò)電流，M57962L 將對(duì) IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，并輸出過(guò)電流故障信號(hào)。

（4）輸入端為T(mén)TL門(mén)電平，適于單片機(jī)控制。信號(hào)傳輸延遲時(shí)間短，低電平轉(zhuǎn)換為高電平的傳輸延遲時(shí)間以及高電平轉(zhuǎn)換為低電平的傳輸時(shí)間都在1.5μs以下。

圖4 觸發(fā)電路總體框圖

采用M57962L驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的實(shí)際應(yīng)用電路如圖5所示。供電電源采用雙電源供電方式，正電壓+15V，負(fù)電壓-10V。當(dāng)IGBT模塊過(guò)載（過(guò)電壓、過(guò)電流），集電極電壓上升至15V以上時(shí)，隔離二極管VD1截止，模塊M57962L的1腳為15V高電平，則將5腳置為低電平，使IGBT截止，同時(shí)將8腳置為低電平，使光耦合器工作，進(jìn)而使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)停止;穩(wěn)壓二極管VS1用于防止VD1擊穿而損壞M57962L;R1為限流電阻。VS2、VS3組成限幅器，以確保IGBT的基極不被擊穿。

圖5 觸發(fā)形成電路

3.結(jié)論

通過(guò)對(duì)IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)的分析及典型應(yīng)用電路的介紹，使大家對(duì)IGBT 的應(yīng)用有一定的了解?？勺鳛樵O(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的參考。

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