陳啟明 楊帆 王端 宋耀東

【摘要】IGBT具有開(kāi)關(guān)速度快、柵極驅(qū)動(dòng)電流小、驅(qū)動(dòng)功率大等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。針對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)的實(shí)際要求，介紹了IGBT工作特性，并利用M57962L設(shè)計(jì)出一種適用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

【關(guān)鍵詞】M57962L;IGBT;驅(qū)動(dòng);電路

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 MOSFET fault in the engineering practice to discuss the principle of selection of IGBT driver reference.

KEY WORDS：M57962L;IGBT;drive;circuit

引言

IGBT是一種新型功率器件，即絕緣柵極雙極集體管（Isolated Gate Bipolar Transistor），是上世紀(jì)末出現(xiàn)的一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件。它將GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)集于一身：輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)頻率高，工作電流大等，在變頻器、開(kāi)關(guān)電源、弧焊電源等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用[1]。

IGBT具有一個(gè)2.5V～5.0V的閥值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)柵極電荷集聚很敏感。故驅(qū)動(dòng)電路必須可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的內(nèi)阻一定要小，即柵極電容充放電速度要快，以保證VGE有較陡的前后沿，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量要小。

在IGBT承受短路電流時(shí)，如果能及時(shí)關(guān)斷它，則可以對(duì)IGBT進(jìn)行有效保護(hù)。識(shí)別IGBT是否過(guò)流的方法之一，就是檢測(cè)其管壓降VCE的大小。IGBT在開(kāi)通時(shí)，若VCE過(guò)高則發(fā)生短路，需立即關(guān)斷IGBT。在過(guò)流關(guān)斷IGBT時(shí)，由于IGBT中電流幅度大，若快速關(guān)斷時(shí)，必將產(chǎn)生過(guò)高，在IGBT兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極易損壞IGBT，因此就產(chǎn)生了“軟慢關(guān)斷”方法。M57962L驅(qū)動(dòng)電路就是依照上述理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

1.驅(qū)動(dòng)芯片M57962L簡(jiǎn)介

M57962L是日本三菱公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。它由光藕合器、接口電路、檢測(cè)電路、定時(shí)復(fù)位電路以及門關(guān)斷電路組成。

圖1 驅(qū)動(dòng)芯片M57962L內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

M57962L主要有以下特點(diǎn)：（1）具有較高的輸人輸出隔離度（VISO=2500Vrms）;（2）采用雙電源供電方式，以確保IGBT可靠通斷;（3）內(nèi)有短路保護(hù)電路;（4）輸人端為TTL門電平，適于單片機(jī)控制[2]。

1.1 引腳排列及主要性能參數(shù)

M57962L驅(qū)動(dòng)器的印刷電路及外殼用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，公有14根引腳，其中②，③，④，⑦，⑨，⑩為空腳，其外型與引腳排列如圖2所示。

M57962L的主要參數(shù)列于表1中。

1.2 保護(hù)工作原理

M57962L內(nèi)部具有短路保護(hù)功能，其保護(hù)電路工作流程圖如圖3所示。檢測(cè)電路檢測(cè)到檢測(cè)輸人端①腳為15V高電平時(shí)，判定為電路短路，立即啟動(dòng)門關(guān)斷電路，將輸出端⑤腳置低電平，同時(shí)輸出誤差信號(hào)使故障輸出端⑧腳為低電平，以驅(qū)動(dòng)外接保護(hù)電路工作。經(jīng)1-2ms延時(shí)，如果檢測(cè)出輸人端 腳為高電平，則M57962L復(fù)位至初始狀態(tài)。

圖2 驅(qū)動(dòng)芯片M57962L引腳圖

表1 M57962L的主要參數(shù)

圖3 M57962L保護(hù)工作原理

2.M57962L應(yīng)用電路

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

電源去耦電容C2～C7采用鋁電解電容器，容量為100μF/50V，R1阻值取1kΩ，R2阻值取1.5kΩ，R3取5.1kΩ，電源采用正負(fù)15V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號(hào)IN經(jīng)13腳輸入驅(qū)動(dòng)器M57962L。雙向穩(wěn)壓管Z1選擇為9.1V，Z2為18V，Z3為30V，防止IGBT的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅(qū)動(dòng)電路，二極管采用快恢復(fù)的FR107管。

3.雙極性圖騰柱驅(qū)動(dòng)器

使用M57962L，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流的上升率，需要在柵極回路中串聯(lián)電阻RG，若柵極電阻過(guò)大，則IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加;若柵極電阻過(guò)小則使過(guò)大可能引發(fā)IGBT的誤導(dǎo)通，同時(shí)RG上的能耗也有所增加。所以選擇驅(qū)動(dòng)電阻阻值時(shí)，要綜合考慮這兩方面的因素，并防止輸出電流IOP超過(guò)極限值5A，RG的選取可以依據(jù)公式[3]：

對(duì)大功率的IGBT模塊來(lái)說(shuō)，RGMIN數(shù)值一般按下式計(jì)算：

這是因?yàn)閷?duì)于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)和防止內(nèi)部的振蕩，模塊內(nèi)部的各個(gè)開(kāi)關(guān)器件都會(huì)包含有柵極電阻器，數(shù)值視模塊種類不同而不同，一般在0.75～3Ω之間，而f的數(shù)值則依靠柵極驅(qū)動(dòng)電路的寄生電感和驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)速度來(lái)決定，所以獲得的最佳辦法就是在改變 RG時(shí)監(jiān)測(cè)IOP，當(dāng)IOP達(dá)到最大值時(shí)，RG達(dá)到極限值。

但在使用中應(yīng)注意，RG不能按前面的公式計(jì)算，而要略大于。如果 RG過(guò)小會(huì)造成IGBT柵極注入電流過(guò)大，使IGBT飽和，無(wú)法關(guān)斷，即在驅(qū)動(dòng)脈沖過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)IGBT仍然導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)中要驅(qū)動(dòng)IGBT為大電流的功率器件，所以在選擇RG時(shí)綜合上述的要求，選取RG為3.5Ω。

4.結(jié)論

IGBT具有開(kāi)關(guān)速度快、柵極驅(qū)動(dòng)電流小、驅(qū)動(dòng)功率大等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。針對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)的實(shí)際要求，介紹了IGBT工作特性，并利用M57962L設(shè)計(jì)出一種適用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

參考文獻(xiàn)

[1]藍(lán)宏，等.大電流高頻IGBT用M57962L驅(qū)動(dòng)能力解決方案研究[J].研究與應(yīng)用，2006，30（2）：35-37.

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[3]王毅，等.IGBT專業(yè)驅(qū)動(dòng)器M57962L[J].器件與元件，2007，28（3）：160-163.