大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫偉

（羅克韋爾自動(dòng)化控制集成（上海）有限公司 上海市 201201）

IGBT 也稱為絕緣柵雙極晶體管, 集場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一身, 既具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn), 又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品的用途越來(lái)越廣泛，驅(qū)動(dòng)方法也是各式各樣，可靠的驅(qū)動(dòng)方法尤其重要。由于IGBT 的廣泛使用，其產(chǎn)品也越來(lái)越多小到幾安培，大到幾千安培都有。而且廠家也多，除了國(guó)際大廠，越來(lái)越多的國(guó)產(chǎn)廠商也在開發(fā)IGBT 或者IGBT 模塊。

在工業(yè)領(lǐng)域，IGBT 主要用做變頻器里面的開關(guān)器件，而IGBT又是現(xiàn)場(chǎng)損壞最為嚴(yán)重的器件之一，對(duì)于大功率的變頻產(chǎn)品尤其如此。對(duì)與變頻器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，核心是驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路就是把中央控制器發(fā)來(lái)的命令，轉(zhuǎn)變成IGBT 開關(guān)的信號(hào)。因此，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的好壞直接決定整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。又因?yàn)镮GBT 種類繁多，驅(qū)動(dòng)電路也是各式各樣，這也增加了IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

1 IGBT驅(qū)動(dòng)的研究與分析

對(duì)于IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路，如果僅僅是對(duì)一個(gè)IGBT 的驅(qū)動(dòng)，那么其驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，只需根據(jù)IGBT 的特性，提供一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)電壓就行，通常為15V。而對(duì)于變頻器而言，通常是個(gè)全橋的逆變，那么每一個(gè)橋臂有兩個(gè)IGBT，對(duì)于下橋臂而言，其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于上橋臂，柵極驅(qū)動(dòng)電壓必須是相對(duì)上下橋臂中間的點(diǎn)，而不是地，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)就需要有不同的策略，這也是變頻器驅(qū)動(dòng)電路的難點(diǎn)所在。

小功率的變頻器驅(qū)動(dòng)電路，在不采用負(fù)偏壓的時(shí)候，通常可以用自舉電路實(shí)現(xiàn)，這種方法成本低，在電路上也易于實(shí)現(xiàn)?？梢灾苯佑霉怦钸M(jìn)行電路的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)此光耦還實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)信號(hào)的隔離。IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的供電電源可以幾路共享一個(gè)，相與相之間只需要用二極管進(jìn)行簡(jiǎn)單的隔離就可以。圖1 給出了一種自舉類型的小功率IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的示意圖，不需要負(fù)偏壓，只需要通過(guò)光耦隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT 的驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于電路中的下橋臂IGBT 驅(qū)動(dòng)，就類似單個(gè)IGBT 驅(qū)動(dòng)，而對(duì)于上橋臂的IGBT，就要通過(guò)電容C1 的自舉提供上管柵極驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)信號(hào)下正上負(fù)的時(shí)候，上橋臂Q1 截止，下橋臂Q2 導(dǎo)通，16VDC 除了用于給Q2 的柵極提供驅(qū)動(dòng)電源，還通過(guò)D1，R1給C1 的兩端充電，充電電壓為16VDC - VCE_Q2，通常接近15V。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為上正下負(fù)的時(shí)候，上橋臂Q1 導(dǎo)通，下橋臂Q2 截止，這時(shí)候Q1 柵極電壓就是電容C1 兩端的電壓，也就剛才Q2 導(dǎo)通的時(shí)候，給電容充電充到接近15V 的電壓，也就是自舉電壓，C1 類似于一個(gè)小電源通過(guò)U1 的8 腳、7 腳給Q1 的柵極提供開通所需要的能量，這樣Q1 就能正常開通，而且在Q1 的發(fā)射極電壓升高以后，柵極和發(fā)射極始終存在著電容C1 兩端的電壓差，選擇合適的容量的電容就可以在開通狀態(tài)時(shí)提供足夠的能量。二極管D1 是為了隔離C1 和16V 電源，從而實(shí)現(xiàn)電位的自舉，這樣在下管關(guān)閉以后，使得上管的柵極電壓相對(duì)發(fā)射極同樣能達(dá)到15V 左右，如果沒有二極管D1，那么U1 的8 腳就會(huì)被限制在16V 了，不能隨發(fā)射極變化，Q1 就無(wú)法開通。電阻R1 是為了限制電容的充電電流過(guò)大而燒壞二極管。

圖1：小功率IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

圖2：大功率IGBT 驅(qū)動(dòng)框圖

這種自舉電路的上橋臂靠電容儲(chǔ)能提供驅(qū)動(dòng)能量，驅(qū)動(dòng)能力有限，其主要優(yōu)點(diǎn)是減少了隔離驅(qū)動(dòng)電源的路數(shù)，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，更先進(jìn)一點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電路通常是使用負(fù)偏壓，是為了更快的關(guān)斷IGBT。對(duì)于小功率電路來(lái)說(shuō)有很多的類似的光耦可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT 的驅(qū)動(dòng)，但是對(duì)于大功率的變頻器就無(wú)法工作，因?yàn)榇蠊β首冾l器中的IGBT 需要的大驅(qū)動(dòng)電流是光耦不能滿足的，因此必須對(duì)光耦輸出的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大。

2 大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

對(duì)于中大功率的IGBT，由于其內(nèi)部是多個(gè)小IGBT 器件的并聯(lián)，對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求也隨之增加，僅僅一個(gè)光耦的驅(qū)動(dòng)能力不足以驅(qū)動(dòng)大功率IGBT。因此大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)通常需要更多的能量，而隔離光耦的驅(qū)動(dòng)能力通常只有2A 左右，因此不再適合直接驅(qū)動(dòng)大功率IGBT。同時(shí)為了快速的關(guān)斷大功率IGBT，還需要提供負(fù)偏壓。基于此對(duì)于大功率的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路而言，除了對(duì)信號(hào)隔離，通常還需要一個(gè)隔離電源，而且還需要提供負(fù)偏壓，加速IGBT 的關(guān)斷。

由于三相變頻器的電路是平行的設(shè)計(jì)，因此電路的設(shè)計(jì)方案以其中的一相為例畫出了其設(shè)計(jì)框圖，如圖2。

由圖2 中可以看出，一相中包含有兩個(gè)IGBT，稱為上橋臂IGBT 和下橋臂的IGBT。電源模塊是一個(gè)反激式開關(guān)電源，至少有6 路隔離輸出，每一路輸出為25V，用于給三相IGBT 中的驅(qū)動(dòng)電路供電，這樣IGBT 的上下橋臂就完全隔離開了，上橋臂不需要自舉電路，也能正常驅(qū)動(dòng)。由于電源分開了，上、下橋臂驅(qū)動(dòng)電路就完全一樣。每一路包含一個(gè)光耦，用于隔離控制器和IGBT；信號(hào)放大電路給大功率IGBT 提供更大的驅(qū)動(dòng)電流，讓其安全的開通和關(guān)斷。處理器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是SPWM 信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)IO 口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)上下兩個(gè)橋臂IGBT 的控制。當(dāng)SPWM 輸出信號(hào)上面是高電平，下面是低電平的時(shí)候，電流從上橋臂的光電二極管流過(guò)，上面光耦導(dǎo)通，此時(shí)下橋臂的輸入電平的方向與上橋臂相反，因此下橋臂光耦不能導(dǎo)通。同理，當(dāng)SPWM 輸出信號(hào)上面是低電平，下面是高電平的時(shí)候，那么此時(shí)就是下橋臂光耦導(dǎo)通，上橋臂光耦截止。

這種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了信號(hào)互鎖功能。在變頻器中，上下橋臂的IGBT 不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將會(huì)導(dǎo)致母線短路，直接燒壞IGBT，通過(guò)信號(hào)互鎖的功能，SPWM 的信號(hào)只有一高一低的時(shí)候才能讓其中一個(gè)IGBT 導(dǎo)通；SPWM 同時(shí)為高電平或者同時(shí)為低電平IGBT 是不會(huì)導(dǎo)通的，同時(shí)抑制了共模干擾，防止誤觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT的保護(hù)。

隔離器件采用的是光耦HCNW3120，對(duì)于小型的IGBT 可以直接驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電流為2A。輸入IF 電流閥值2.5mA，平均正向?qū)娏骺蛇_(dá)25mA，電源電壓最高可達(dá)35V，輸出電流±2A，隔離電壓1414V，可直接驅(qū)動(dòng)高達(dá)100A/1200V 的IGBT 模塊，但是對(duì)于大功率的IGBT 因?yàn)檩敵鲭娏餍〔贿m合單獨(dú)使用。

由于處理器不能提供大的驅(qū)動(dòng)電流，設(shè)計(jì)的時(shí)候使用了線性驅(qū)動(dòng)芯片74AC541，以提高其驅(qū)動(dòng)能力，其輸出可達(dá)到20mA，把處理器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行線性驅(qū)動(dòng)芯片放大。用它來(lái)驅(qū)動(dòng)光耦芯片HCNW3120，相比離散晶體管驅(qū)動(dòng)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高傳輸性能。

3 大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)是以光耦HCNW3120 作為主控制信號(hào)和IGBT 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的隔離器件，利用三極管和MOS 管以及電阻電容等離散器件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大部分的電路，滿足大功率IGBT 對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電流的需求。本IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路于采用隔離電源分別給各個(gè)橋臂供電，所有的IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路都是相互獨(dú)立而電路一樣，這也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。圖3 給出了其中任意一相的上、下橋臂控制信號(hào)隔離后詳細(xì)設(shè)計(jì)電路。

分析這個(gè)電路，只需要看其中一個(gè)橋臂的電路就可以，由于驅(qū)動(dòng)電源是隔離的，無(wú)需自舉也能提供柵極壓差，這里以上橋臂為例對(duì)這個(gè)電路進(jìn)行分析。光耦只是提供SPWM 的隔離驅(qū)動(dòng)開關(guān)信號(hào)，電容C2 作為光耦的濾波器，電容C1 為其儲(chǔ)能濾波電容，當(dāng)光耦U1 的7 腳輸出高電平的時(shí)候，Q2 截止，Q4 導(dǎo)通，因此Q5 截止，Q1 導(dǎo)通，這樣上橋電源通過(guò)Q1 和柵極開通電阻R2 加到了IGBT的柵極上，IGBT 迅速開通。反過(guò)來(lái)，當(dāng)光耦U1 的7 腳輸出為低電平的時(shí)候，Q2 導(dǎo)通，Q4 關(guān)閉，因此Q1 不通而Q5 導(dǎo)通。IGBT的關(guān)閉回路就由柵極，經(jīng)過(guò)柵極關(guān)斷電阻R10 和三極管Q5 返回，IGBT 快速關(guān)斷。為了快速關(guān)斷，通過(guò)D1，R5，R12 和C6 實(shí)現(xiàn)柵極負(fù)偏壓， C6 正極連接在IGBT 的發(fā)射極，在關(guān)斷的時(shí)候相當(dāng)于把IGBT 柵極接到了負(fù)偏電壓，實(shí)際上電源只有一個(gè)，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，只需要一個(gè)電源就夠了。

二極管D2 和D4 為肖特基二極管，其作用是讓三極管Q4 和Q7 工作在飽和狀態(tài)，以提高三極管的開關(guān)速度。瞬態(tài)抑制二極管D5 是防止柵極出現(xiàn)電壓尖峰的保護(hù)二極管。

柵極和發(fā)射極間的電容C4、C5 和R9 是用來(lái)控制開關(guān)速度，通過(guò)降低di/dt 來(lái)減小開關(guān)損耗，同時(shí)還可以防止IGBT 的米勒效應(yīng)的。 C4 和C5 用來(lái)分擔(dān)米勒電容產(chǎn)生的柵極充電電流，因?yàn)榇藭r(shí)驅(qū)動(dòng)回路的總輸入電容變成了Cies、C4 和C5 并聯(lián)值，在這種情況，給柵極充電達(dá)到IGBT 開通的電壓閾值就需要更多的電荷，米勒電容不能提供如此高的能量，那就保護(hù)了IGBT。當(dāng)然增加電容C4和C5 會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電源功耗增加，在相同的門極驅(qū)動(dòng)電阻下，IGBT的開關(guān)損耗也會(huì)相應(yīng)地增加，因此要根據(jù)手冊(cè)和實(shí)驗(yàn)選擇合適的電容值。電阻R9 是給柵極和發(fā)射極之間提供一個(gè)等電位，作用是防止IGBT 柵極電荷積累，防止在未接驅(qū)動(dòng)引線的情況下，偶然加主電高壓，通過(guò)米勒電容燒毀IGBT。

對(duì)于大功率IGBT 而言，通常采用獨(dú)立的柵極開通和關(guān)斷電阻，門極開通電阻減小RGon影響IGBT 導(dǎo)通期間的門極充電電壓和電流；增大這個(gè)電阻將減小門極充電的電壓和電流，但會(huì)增加開通損耗。減小RGon，IGBT 的柵極電容充電快，開關(guān)時(shí)間短，開關(guān)損耗小，但RG較小時(shí)使得IGBT 開通時(shí)di/dt 變大，從而引起較高的du/dt，即電流沖擊，增加續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓，通常IGBT 的器件數(shù)據(jù)手冊(cè)里面給出了開通電阻的大小。柵極關(guān)斷電阻取值為開通電阻的3 倍左右，目的就在于有效地抑制IGBT 關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過(guò)壓尖峰，尖峰大于開通波形，可能會(huì)損壞器件。取值過(guò)大會(huì)增大IGBT的損耗，使得發(fā)熱量增大。較小的RGOFF同樣也能減少IGBT 的關(guān)斷損耗，有效抑制寄生米勒電容引起的導(dǎo)通，但是在關(guān)斷期間由于雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)壓尖峰和柵極震蕩。因此開通電阻和關(guān)斷電阻的選擇要做一個(gè)較好的平衡。

4 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3：IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

這里以600A 的大功率IGBT 模塊FF600R12IP4 為例，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路。柵極電阻的選擇如下式，這需要參考數(shù)據(jù)手冊(cè)Datasheet（DS）。

查詢器件手冊(cè)中給出的柵極電阻為1.8 歐姆，柵極驅(qū)動(dòng)電阻為RGext_DS為2.2ohm，驅(qū)動(dòng)電壓VGE_DS = ±15V。本設(shè)計(jì)中電源的柵極壓差也就是驅(qū)動(dòng)電源電壓為25V，代入上式可以求出驅(qū)動(dòng)電阻RGext大約為1.5 歐姆。柵極關(guān)斷電阻選擇為4.7 歐姆。柵極和發(fā)射極間并了80nF 的電容用于控制開關(guān)速度。又因?yàn)闁艠O驅(qū)動(dòng)功率公式為：

其中F 為驅(qū)動(dòng)基頻頻率，變頻器中通常最高為4KHz， 驅(qū)動(dòng)電壓和負(fù)偏壓的差值為25V，也就是驅(qū)動(dòng)供電電源的輸出電壓，柵極電荷從IGBT 器件手冊(cè)中可以查得為4.4uC。帶入上式可以求得柵極驅(qū)動(dòng)功率為0.44W。

驅(qū)動(dòng)電阻的功率通常選為驅(qū)動(dòng)功率的2 倍，故選擇1W 的電阻。同時(shí)也可以算出IGBT 的驅(qū)動(dòng)峰值驅(qū)動(dòng)電流為：

可以求得峰值驅(qū)動(dòng)電流為7.58A，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源的時(shí)候，要滿足這個(gè)條件，確保其有足夠大的瞬時(shí)輸出電流提供到IGBT 柵極。

選定上述參數(shù)以后，設(shè)計(jì)電路裝好機(jī)器運(yùn)行以后，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形如圖4 所示。根據(jù)此圖可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)平滑，很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT 的驅(qū)動(dòng)功能。

5 結(jié)論

圖4：實(shí)驗(yàn)波形

本文通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)600A 的IGBT 作為例子，驗(yàn)證結(jié)果表明了此電路的完全可以用于大功率IGBT 的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也可以在不更換元器件的情況下驅(qū)動(dòng)900A 的IGBT。此大功率IGBT 驅(qū)動(dòng)電路有非常好的通用性，簡(jiǎn)單易用，只需要通過(guò)更換不同的柵極開通和關(guān)斷電阻及柵極電容就能驅(qū)動(dòng)不同功率的IGBT。因此可以廣泛用于各個(gè)行業(yè)的IGBT 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，同時(shí)簡(jiǎn)化一下，去掉信號(hào)放大部分，就能支持中小功率IGBT 驅(qū)動(dòng)，大大縮短了開發(fā)時(shí)間。由于設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性，不同功率段變頻器使用相似的驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)，則產(chǎn)品的可靠性也會(huì)隨之提高。