光耦驅(qū)動(dòng)ΙGBT電路及應(yīng)用

康 燕 廣東珠海格力電器股份有限公司

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光耦驅(qū)動(dòng)ΙGBT電路及應(yīng)用

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【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

光耦；IGBT 驅(qū)動(dòng)；米勒效應(yīng)

應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置以及電子計(jì)算機(jī)的不間斷電源等設(shè)備的ΙGBT（Ιnsulated Gate BipolarTransistor，絕緣柵雙極晶體管），隨著今年來人們對(duì)節(jié)能、裝置小型化、輕量化要求的不斷提高，而急速地發(fā)展起來。具有控制簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率低、高輸入阻抗、開關(guān)狀態(tài)損耗小、開關(guān)速度高、較大的載流能力等優(yōu)點(diǎn)。除了 ΙGBT 自身的特性參數(shù)以外，驅(qū)動(dòng)電路的各項(xiàng)特性對(duì)保證 ΙGBT 功率電路高效、穩(wěn)定、安全的工作都起著至關(guān)重要的作用。光耦隔離驅(qū)動(dòng)，此種方法采用光耦傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行放大，對(duì)通斷時(shí)間寬度無限制，工作速度快、價(jià)格便宜，是目前驅(qū)動(dòng)ΙGBT模塊廣泛應(yīng)用的一種方式。

1.IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求

ΙGBT 的驅(qū)動(dòng)電路是 ΙGBT 與控制電路之間的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的隔離、放大和保護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路對(duì) ΙGBT 的正常工作及其保護(hù)起著非常重要的作用，驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)劣是其可靠工作、正常運(yùn)行的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有如下基本要求。

（1） ΙGBT 處于主電路地位，它的集電極直接接較高的工作電壓，而驅(qū)動(dòng)電路工作電壓低，因此驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有對(duì)地電位浮動(dòng)的直流供電電源。故要求驅(qū)動(dòng)電路具有隔離輸入、輸出信號(hào)的功能，同時(shí)要求在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部信號(hào)傳輸無延時(shí)或延時(shí)很短。

（2） 在柵極回路中必須串聯(lián)合適的電阻RG，用于控制VGE的前后沿陡度，進(jìn)而控制ΙGBT器件的開關(guān)損耗。RG增大，VGE前后沿變緩，ΙGBT開關(guān)過程延長(zhǎng)，開關(guān)損耗增加；RG減小，VGE前后沿變陡，ΙGBT開關(guān)損耗降低，同時(shí)集電極電流變化率增大。較小的柵極電阻使得ΙGBT開通時(shí)的di/dt變大，導(dǎo)致較高的du/dt，增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。因此，在設(shè)計(jì)柵極電阻時(shí)要兼顧到這兩個(gè)方面的問題。

（3） 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有過電壓保護(hù)和 du/ dt 的保護(hù)能力。通常用兩個(gè)極性相反的齊納穩(wěn)壓二極管串聯(lián)組成限幅器，確保ΙGBT 基極不被擊穿。由于 ΙGBT 的安全工作區(qū)域較寬，在一些電路中不設(shè)緩沖電路。

（4） 當(dāng)發(fā)生短路或過電流故障時(shí)，理想的驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)該具備完善的短路保護(hù)能力。通常采用檢出過電流信號(hào)切斷ΙGBT 柵極信號(hào)來進(jìn)行保護(hù)。

2.光耦驅(qū)動(dòng)IGBT的原理

ΙGBT具有MOS門極結(jié)構(gòu)，在開關(guān)時(shí)為了對(duì)該門極進(jìn)行充放電，需要門極電流從中流過，圖1標(biāo)示門極充電電荷量的特性。門極充電電荷量特性標(biāo)示驅(qū)動(dòng)ΙGBT所需要的電荷量，在計(jì)算平均驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率時(shí)使用。光耦驅(qū)動(dòng)電路的原理圖和電壓電流波形如圖2、圖3所示。驅(qū)動(dòng)電路的原理是通過開關(guān)S1、 S2交替導(dǎo)通正電壓電源和負(fù)電壓電源，開關(guān)切換時(shí)對(duì)門極充電放電的電流即為驅(qū)動(dòng)電流，如圖3中以電流波形形式所包含的面積與圖1中的充放電電荷量相應(yīng)。

圖1　門極充電電荷量特性（動(dòng)態(tài)輸入特性）

圖2　光耦驅(qū)動(dòng)ΙGBT電路原理圖

圖3　電壓電流波形

驅(qū)動(dòng)電流的峰值ΙGP可由以下近似公式求出。

+VGE ：正電源電壓

-VGE：負(fù)電源電壓

RG：驅(qū)動(dòng)電路的門極電阻

Rgint：模塊內(nèi)部的門極電阻

從門極充電電荷量特性可知，從0V開始的上升部分的斜率大體上與輸入電容Cies等效，而負(fù)電壓領(lǐng)域可以作為這個(gè)部分的延長(zhǎng)來考慮。因此，驅(qū)動(dòng)電流的平均值ΙG，如圖1所示可利用門極充電電荷量特性作下述計(jì)算。

fC：開關(guān)頻率

Qg：從0V到VGE為止的充電電荷量

Cies：ΙGBT的輸入電容

設(shè)計(jì)時(shí)要保證驅(qū)動(dòng)電路的輸出段上能流過由這些近似公式計(jì)算得出的電流ΙGP和±ΙG。

選擇ΙGBT的門極驅(qū)動(dòng)光耦時(shí)注意關(guān)鍵參數(shù)ΙOH、ΙOL，高輸出驅(qū)動(dòng)電流，可確保ΙGBT能迅速導(dǎo)通。綜合考慮性價(jià)比因素，一般有以下計(jì)算：

ΙOH、 ΙOL≧ΙG×1.1

ΙOH：“H”時(shí)輸出電流峰值

ΙOL：“L”時(shí)輸出電流峰值

3.光耦驅(qū)動(dòng)IGBT應(yīng)用

采用光耦驅(qū)動(dòng)電路具有成本低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；但其主要缺點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)分立的ΙGBT模塊時(shí)光耦驅(qū)動(dòng)米勒效應(yīng)較為明顯。ΙGBT的集電極和柵極之間存在一個(gè)寄生電容Cres，該寄生電容稱作米勒電容。正是由于該寄生電容的存在，使在ΙGBT在高速開關(guān)時(shí)即dv/dt較快時(shí)，會(huì)使變化的電流流過對(duì)應(yīng)的米勒電容，從而使本應(yīng)是低電平的橋臂出現(xiàn)一個(gè)電壓尖峰。該尖峰過高且存在于死區(qū)之外使可能會(huì)引起低電平一側(cè)的ΙGBT導(dǎo)通，從而會(huì)使上下橋臂直通而燒壞ΙGBT。

4.總結(jié)

光耦合適的驅(qū)動(dòng)電流是決定ΙGBT工作可靠性和穩(wěn)定性的前提條件，在選擇和設(shè)計(jì)時(shí)需要充分進(jìn)行理論計(jì)算。消除光耦驅(qū)動(dòng)米勒效應(yīng)則需要通過運(yùn)用豐富的理論知識(shí)去認(rèn)真分析、并對(duì)產(chǎn)生的問題能夠深入探討研究，再通過反復(fù)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］胡浩.智能功率集成電路中部分模塊的研究［D］.成都: 電子科技大學(xué)，2012.

［2］羅毅飛，劉賓禮，汪波，等.IGBT 開關(guān)機(jī)理對(duì)逆變器死區(qū)時(shí)間的影響［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014，18 （5） :62-68.

介紹了構(gòu)成IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求，分析光耦驅(qū)動(dòng)門極電路原理及理論計(jì)算，闡述了采用光耦驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生米勒效應(yīng)的原理。最后，給出了消除米勒效應(yīng)的方法以及通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了消除米勒效應(yīng)的效果。