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IGBT
 IGBT
絕緣柵雙極晶體管 IGBT 是第三代電力電子器件，**工作，它集功率晶體管 GTR 和功率場效應管 MOSFET的優(yōu)點于一身，具有易于驅動、峰值電流容量大、自關斷、開關頻率高 (10-40 kHz)的特點，是目前發(fā)展*為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應用于小體積、高效率的變頻電源、電機調速、 UPS 及逆變焊機當中。 IGBT的驅動和保護是其應用中的關鍵技術。在此根據(jù)長期使用 IGBT 的經驗并參考有關文獻對 IGBT 的門極驅動問題做了一些總結，希望對廣大IGBT 應用人員有一定的幫助。
 
1 IGBT 門極驅動要求
 
1.1 柵極驅動電壓
 
因 IGBT 柵極 - 發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET驅動技術進行驅動，但 IGBT 的輸入電容較 MOSFET 大，所以 IGBT 的驅動偏壓應比 MOSFET 驅動所需偏壓強。圖 1是一個典型的例子。在 +20 ℃情況下，實測 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 開通電壓閥值為 5 ～ 6 V，在實際使用時，為獲得*小導通壓降，應選取 Ugc ≥ (1.5 ～ 3)Uge(th) ，當 Uge 增加時，導通時集射電壓 Uce將減小，開通損耗隨之減小，但在負載短路過程中 Uge 增加，集電極電流 Ic 也將隨之增加，使得 IGBT能承受短路損壞的脈寬變窄，因此 Ugc 的選擇不應太大，這足以使 IGBT 完全飽和，同時也限制了短路電流及其所帶來的應力 (在具有短路工作過程的設備中，如在電機中使用 IGBT 時， +Uge 在滿足要求的情況下盡量選取*小值，以提高其耐短路能力 ) 。
 
1.2 對電源的要求
 
對于全橋或半橋電路來說，上下管的驅動電源要相互隔離，由于 IGBT是電壓控制器件，所需要的驅動功率很小，主要是對其內部幾百至幾千皮法的輸入電容的充放電，要求能提供較大的瞬時電流，要使 IGBT迅速關斷，應盡量減小電源的內阻，并且為防止 IGBT 關斷時產生的 du/dt 誤使 IGBT 導通，應加上一個 -5 V的關柵電壓，以確保其完全可靠的關斷 ( 過大的反向電壓會造成 IGBT 柵射反向擊穿，一般為 -2 ～ 10 V 之間 ) 。
 
1.3 對驅動波形的要求
 
從減小損耗角度講，門極驅動電壓脈沖的上升沿和下降沿要盡量陡峭，前沿很陡的門極電壓使 IGBT快速開通，達到飽和的時間很短，因此可以降低開通損耗，同理，在 IGBT關斷時，陡峭的下降沿可以縮短關斷時間，從而減小了關斷損耗，發(fā)熱量降低。但在實際使用中，過快的開通和關斷在大電感負載情況下反而是不利的。因為在這種情況下，IGBT 過快的開通與關斷將在電路中產生頻率很高、幅值很大、脈寬很窄的尖峰電壓 Ldi/dt，并且這種尖峰很難被吸收掉。此電壓有可能會造成 IGBT或其他元器件被過壓擊穿而損壞。所以在選擇驅動波形的上升和下降速度時，應根據(jù)電路中元件的耐壓能力及 du/dt 吸收電路性能綜合考慮。
 
1.4 對驅動功率的要求
 
由于 IGBT的開關過程需要消耗一定的電源功率，*小峰值電流可由下式求出：
 
I GP = △ U ge /R G +R g ；
 
式中△ Uge=+Uge+|Uge| ； RG 是 IGBT內部電阻； Rg 是柵極電阻。
 
驅動電源的平均功率為：
 
P AV =C ge △ Uge 2 f,
 
式中． f 為開關頻率； Cge 為柵極電容。
 
1.5 柵極電阻
 
為改變控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減小 IGBT集電極的電壓尖峰，應在 IGBT 柵極串上合適的電阻 Rg 。當 Rg 增大時， IGBT 導通時間延長，損耗發(fā)熱加??； Rg減小時， di/dt 增高，可能產生誤導通，使 IGBT 損壞。應根據(jù) IGBT 的電流容量和電壓額定值以及開關頻率來選取 Rg的數(shù)值。通常在幾歐至幾十歐之間 ( 在具體應用中，還應根據(jù)實際情況予以適當調整 ) 。另外為防止門極開路或門極損壞時主電路加電損壞IGBT ，建議在柵射間加入一電阻 Rge ，阻值為 10 k Ω左右。
 
1.6 柵極布線要求
 
合理的柵極布線對防止?jié)撛谡鹗?，減小噪聲干擾，保護 IGBT正常工作有很大幫助。
 
a ．布線時須將驅動器的輸出級和 lGBT 之間的寄生電感減至*低 (把驅動回路包圍的面積減到*小 ) ；
 
b ．正確放置柵極驅動板或屏蔽驅動電路，防止功率電路和控制電路之間的耦合；
 
c ．應使用輔助發(fā)射極端子連接驅動電路；
 
d ．驅動電路輸出不能和 IGBT 柵極直接相連時，應使用雙絞線連接(2 轉／ cm) ；
 
e ．柵極保護，箝位元件要盡量靠近柵射極。
 
1.7 隔離問題
 
由于功率 IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，所以驅動電路必須與整個控制電路在電位上完全隔離，主要的途徑及其優(yōu)缺點如表 1 所示。
 
表1 驅動電路與控制電路隔離的途徑及優(yōu)缺點
 
利用光電耦合器進行隔離
 
優(yōu)點：體積小、結構簡單、應用方便、輸出脈寬不受限制，適用于 PWM控制器
 
缺點
 
1 、共模干擾抑制不理想
 
2 、響應速度慢，在高頻狀態(tài)下應用受限制
 
3 、需要相互隔離的輔助電源
 
利用脈沖變壓器進行隔離
 
優(yōu)點：響應速度快，共模干擾抑制效果好
 
缺點：
 
1 、信號傳送的*大脈沖寬度受磁芯飽和特性的限制，通常不大于 50％，*小脈寬受磁化電流限制
 
2 、受漏感及集膚影響，加工工藝復雜
 
2 典型的門極驅動電路介紹
 
2.1 脈沖變壓器驅動電路
 
脈沖變壓器驅動電路如圖 2 所示， V1 ～ V4組成脈沖變壓器一次側驅動電路，通過控制 V1 、 V4 和 V2 、 V3 的輪流導通，將驅動脈沖加至變壓器的一次側，二次側通過電阻R1 與 IGBT5 柵極相連， R1 、 R2 防止 IGBT5 柵極開路并提供充放電回路， R1上并聯(lián)的二極管為加速二極管，用以提高 IGBT5 的開關速度，穩(wěn)壓二極管 VS1 、 VS2 的作用是限制加在 IGBT5g-e端的電壓，避免過高的柵射電壓擊穿柵極。柵射電壓一般不應超過 20 V 。
 
  

  

圖 2 脈沖變壓器驅動電路
 
2.2 光耦隔離驅動電路
 
光耦隔離驅動電路如圖 3 所示。由于 IGBT是高速器件，所選用的光耦必須是小延時的高速型光耦，由 PWM 控制器輸出的方波信號加在三極管 V1 的基極， V1驅動光耦將脈沖傳遞至整形放大電路 IC1 ，經 IC1 放大后驅動由 V2 、 V3 組成的對管 (V2 、 V3 應選擇β>100 的開關管 ) 。對管的輸出經電阻 R1 驅動 IGBT4 ， R3 為柵射結保護電阻， R2 與穩(wěn)壓管 VS1構成負偏壓產生電路， VS1 通常選用 1 W/5.1 V 的穩(wěn)壓管。此電路的特點是只用 1組供電就能輸出正負驅動脈沖，使電路比較簡潔。
 
  

  

圖 3 光耦隔離驅動電路
 
2.3 驅動模塊構成的驅動電路
 
應用成品驅動模塊電路來驅動 IGBT，可以大大提高設備的可靠性，目前市場上可以買到的驅動模塊主要有：富士的 EXB840、841，三菱的M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120等。這類模塊均具備過流軟關斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號輸出功能。由于這類模塊具有保護功能完善、免調試、可靠性高的優(yōu)點，所以應用這類模塊驅動IGBT 可以縮短產品開發(fā)周期，提高產品可靠性。 EXB840 和 M57962很多資料都有介紹，KA101和KA102的資料可以從百度搜索，這里就簡要介紹一下惠普公司的 HCPL316J 。典型電路如圖 4所示。
 
  

  

圖 4 由驅動模塊構成的驅動電路
 
HCPL316J 可以驅動 150 A/1200 V 的 IGBT，光耦隔離， COMS/TTL 電平兼容，過流軟關斷，*大開關速度 500 ns ，工作電壓 15 ～ 30 V，欠壓保護。輸出部分為三重復合達林頓管，集電極開路輸出。采用標準 SOL-16 表面貼裝。
 
HCPL316J 輸入、輸出部分各自排列在集成電路的兩邊，由 PWM電路產生的控制信號加在 316j 的第 1 腳，輸入部分需要 1 個 5 V 電源， RESET 腳低電平有效，故障信號輸出由第 6腳送至 PWM 的關閉端，在發(fā)生過流情況時及時關閉 PWM 輸出。輸出部分采用 +15 V 和 -5 V雙電源供電，用于產生正負脈沖輸出， 14 腳為過流檢測端，通過二極管 VDDESAT 檢測 IGBT 集電極電壓，在 IGBT導通時，如果集電極電壓超過 7 V ，則認為是發(fā)生了過流現(xiàn)象， HCPL316J 慢速關斷 IGBT ，同時由第 6 腳送出過流信號。
 
3 結語
 
通過對 IGBT 門極驅動特點的分析及典型應用電路的介紹，使大家對IGBT 的應用有一定的了解?？勺鳛樵O計 IGBT 驅動電路的參考。
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