于德江 王端 楊帆

【摘要】本文介紹了IGBT門極驅動保護電路的分類，分析了IGBT驅動保護電路的發(fā)展趨勢，對常用IGBT驅動器如光耦隔離型、變壓器隔離型等典型電路進行了分析，并將市場上常用廠家生產(chǎn)的IGBT驅動器工作參數(shù)和性能進行了比較，結合對工程實踐中IGBT故障的分析，討論了選用IGBT驅動器時的參考原則。

【關鍵詞】IGBT;驅動;保護

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

絕緣門極雙極型晶體管（Isolated Gate Bipolar Transistor簡稱IGBT）是復合了功率場效應管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應用相當廣泛。但是IGBT 良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅動電路設計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應用。因此本文分析了IGBT對其柵極驅動電路的要求，設計一種可靠，穩(wěn)定的IGBT驅動電路[1]。

1.IGBT驅動電路特性及可靠性分析

IGBT的門極驅動條件密切地關系到他的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓、負偏壓和門極電阻的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中門極正電壓的變化對IGBT的開通特性，負載短路能力和電流有較大的影響，而門極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，門極電路設計中也必須注意開通特性，負載短路能力和由電流引起的誤觸發(fā)等問題[2-3]。

根據(jù)上述分析，對IGBT驅動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對門極電荷集聚很敏感，驅動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。

（2）用低內阻的驅動源對門極電容充放電，以保證門及控制電壓有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，門極驅動源應提供足夠的功率，使IGBT 不至退出飽和而損壞。

（3）門極電路中的正偏壓應為+12～+15V;負偏壓應為-2V～-10V。

（4）IGBT驅動電路中的電阻對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，但會增加IGBT 的開關時間和開關損耗;較小，會引起電流上升率增大，使IGBT 誤導通或損壞。的具體數(shù)據(jù)與驅動電路的結構及IGBT的容量有關，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT 其值較大。

（5）驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT 的自保護功能。IGBT 的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的 G～E 極之間不能為開路。

2.IGBT驅動電路分類

根據(jù)IGBT的靜態(tài)特性、開關暫態(tài)特性并考慮其允許的安全工作區(qū)，IGBT工作時門極驅動保護電路應滿足如下基本要求：提供足夠的柵極電壓來開通IGBT，并在開通期間保持這個電壓;在最初開通階段，提供足夠的柵極驅動電流來減少開通損耗和保證IGBT的開通速度;在關斷期間，提供一個反向偏置電壓來提高IGBT抗暫態(tài)的能力和抗EMI噪聲的能力并減少關斷損耗;在IGBT功率電路和控制電路之間提供電氣隔離，對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，驅動電路能通過合理的柵極電壓動作進行IGBT保護，并發(fā)出故障信號到控制系統(tǒng)。

2.1 直接驅動電路

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，即驅動電路要求采用正、負偏壓的兩電源方式，輸入信號經(jīng)整形器整形后進入放大級，放大級采用有源負載方式以提供足夠的門極電流。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)絡組成的阻尼濾波器。此種驅動電路適用于小容量的IGBT。

圖1 IGBT直接驅動電路

2.2 光電隔離驅動電路

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

圖2 IGBT直接驅動電路

2.3 變壓器隔離驅動電路

圖3是IGBT的變壓器隔離驅動電路。圖中的輔助MOS管是N溝道增強型MOS管，其漏極為D、原極為S、柵極為G。P端有正信號輸入時，變壓器的二次側電壓VGS經(jīng)二極管D1向IGBT提供開通電壓并給門極/源極結電容C充電，這時輔助MOS管受反偏（S點為正，G點為負）而阻斷，阻斷了IGBT門極結電容C經(jīng)MOS管放電。當P端有負信號輸入，脈沖變壓器二次側VGS>0，輔助MOS管導通，D、S兩點導通，抽出IGBT門極結電容C的電荷，使其關斷。

圖3 IGBT直接驅動電路

2.4 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，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(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性。下面以三菱的驅動模塊M57962L為例，說明此類電路的工作原理。

M57962L是由日本三菱電氣公司為驅動IGBT而設計的厚膜集成電路。M57962L內部集成了退飽和、檢測和保護單元，當發(fā)生過電流時能快速響應，但慢關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。它輸出正驅動電壓+15V，負驅動電壓-10V。內部結構如圖4所示，由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復位電路以及門關斷電路組成。M57962L是N溝道大功率IGBT模塊的驅動電路，能驅動600V/400A和1200V/400A的IGBT。M57962L具有如下特點：

（1）采用快速型光耦合器實現(xiàn)電氣隔離，適合20kHz的高頻開關運行。光耦合器一次側已串聯(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。如果采用雙電源驅動技術，其輸出負柵極電壓比較高。電源電壓的極限值為+18V/-15V，般取+15V/-10V。

（3）內部集成了短路和過電流保護電路。M57962L的過電流保護電路通過檢測 IGBT 的飽和壓降來判斷是否過電流，一旦過電流，M57962L 將對 IGBT實施軟關斷，并輸出過電流故障信號。

（4）輸入端為TTL門電平，適于單片機控制。信號傳輸延遲時間短，低電平轉換為高電平的傳輸延遲時間以及高電平轉換為低電平的傳輸時間都在1.5μs以下。

圖4 觸發(fā)電路總體框圖

采用M57962L驅動IGBT模塊的實際應用電路如圖5所示。供電電源采用雙電源供電方式，正電壓+15V，負電壓-10V。當IGBT模塊過載（過電壓、過電流），集電極電壓上升至15V以上時，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，同時將8腳置為低電平，使光耦合器工作，進而使得驅動信號停止;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.結論

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。可作為設計IGBT驅動電路的參考。

參考文獻

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[3]樣艷，等.三重抗干擾晶閘管觸發(fā)隔離輸出電路[J].南開大學學報（自然科學版）2008，41（1）：10-13.