IGBT驱动电路设计.doc

1、一种 IGBT 驱动电路的设计IGBT 的概念是 20 世纪 80 年代初期提出的。IGBT 具有复杂的集成结构，它的工作频率可以远高于双极晶体管。IGBT 已经成为功率半导体器件的主流。在 10100 kHz 的中高压大电流的范围内得到广泛应用。IGBT 进一步简化了功率器件的驱动电路和减小驱动功率。1 IGBT 的工作特性。IGBT 的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极施以正电压时，MOSFET 内形成沟道，并为 PNP 晶体管提供基极电流，从而使 IGBT 导通。此时从 N+区注入到 N-区的空穴（少子）对 N-区进行电导调制，减小 区的电阻 Rdr ，使阻断电压高的 IGBT 也具

2、有低的通态压降。当栅极上施以负电压时。MOSFET 内的沟道消失，PNP 晶体管的基极电流被切断，IGBT 即被关断。在 IGBT 导通之后。若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使集电极电流有所下降，但由于 N-区中注入了大量的电子和空穴对，因而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。2 驱动电路的设计2.1 IGBT 器件型号选择1）IGBT 承受的正反向峰值电压考虑到 2-2.5 倍的安全系数，可选 IGBT 的电压为 1 200 V。2）IGBT 导通时承受的峰值电流。额定电流按 380 V 供电电压、额定功率 30 kVA 容量算。选用的 IGBT 型号为

3、SEMIKRON 公司的SKM400GA128D。2.2 IGBT 驱动电路的设计要求对于大功率 IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压 VGE 负偏压 -VGE 和门极电阻 RG 的大小，对 IGBT 的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及 dvdt 电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系见表 1。栅极正电压 的变化对 IGBT 的开通特性、负载短路能力和 dVcEdt 电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由 dVcEdt 电流引起

4、的误触发等问题（见表 1）。表 1 IGBT 门极驱动条件与器件特性的关系由于 IGBT 的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能的好坏将直接影响 IGBT能否正常工作。为使 IGBT 能可靠工作。 IGBT 对其驱动电路提出了以下要求。1）向 IGBT 提供适当的正向栅压。并且在 IGBT 导通后。栅极驱动电路提供给 IGBT 的驱动电压和电流要有足够的幅度，使 IGBT 的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证 IGBT 不退出饱和区。IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，V GE越高，V DS傩

5、就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过 20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT 损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V 为宜。2）能向 IGBT 提供足够的反向栅压。在 IGBT 关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的 IGBT 处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使调压电路处于短路直通状态。因此，最好给处于截止状态的 IGBT 加一反向栅压 f 幅值一般为 515 V），使 IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。3）具有栅

6、极电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT 栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。4）由于 IGBT 多用于高压场合。要求有足够的输人、输出电隔离能力。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。5）IGBT 的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。应具有 IGBT 的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。2.3 驱动电路的设计隔离驱动产品大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅，采用厚膜或 PCB 工艺支撑，部分阻容元件由引脚接入。这种产品主要用于 IGBT 的驱动，因 IGBT 具有电流拖尾

7、效应，所以光耦驱动器无一例外都是负压关断。M57962L 是日本三菱电气公司为驱动 IGBT 设计的厚膜集成电路，实质是隔离型放大器，采用光电耦合方法实现输入与输出的电气隔离，隔离电压高达 2 500 V，并配置了短路过载保护电路。M57962L 可分别驱动 600 V200 A 和 600 V400 A 级 IGBT 模块，具有很高的性价比。本次课题设计中选用的 IGBT 最大电流 400 A 考虑其他隔离要求及保护措施，选用了 M57962L 设计了一种 IGBT 驱动电路。图 1 为 M57962L 内部结构框图，采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合高频开关运行，光耦的原边已串联限

8、流电阻（约 185 ），可将 5 V 的电压直接加到输入侧。它采用双电源驱动结构，内部集成有 2 500 V 高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路、过电流保护输出信号端子和与 TTL 电平相兼容的输入接口，驱动电信号延迟最大为 1.5us。图 1 M57962L 的结构框图当单独用 M57962L 来驱动 IGBT 时。有三点是应该考虑的。首先。驱动器的最大电流变化率应设置在最小的 RG电阻的限制范围内，因为对许多 IGBT 来讲，使用的 RG 偏大时，会增大 td（on ） （导通延迟时间）， t d（off） （截止延迟时间），t r（上升时间）和开关损耗，在高频应用（超过 5 kHz）时

9、，这种损耗应尽量避免。另外。驱动器本身的损耗也必须考虑。如果驱动器本身损耗过大，会引起驱动器过热，致使其损坏。最后，当 M57962L 被用在驱动大容量的 IGBT 时，它的慢关断将会增大损耗。引起这种现象的原因是通过 IGBT 的 Gres（反向传输电容）流到 M57962L 栅极的电流不能被驱动器吸收。它的阻抗不是足够低，这种慢关断时间将变得更慢和要求更大的缓冲电容器应用 M57962L 设计的驱动电路见图 2。图 2 IGBT 驱动电路电源去耦电容 C2 C7 采用铝电解电容器，容量为 100 uF50 V， R1 阻值取 1 k，R2 阻值取 1.5k，R3取 5.1 k，电源采用正负

10、 l5 V 电源模块分别接到 M57962L 的 4 脚与 6 脚，逻辑控制信号 IN 经 l3 脚输入驱动器M57962L。双向稳压管 Z1 选择为 9.1 V，Z2 为 18V，Z3 为 30 V，防止 IGBT 的栅极、发射极击穿而损坏驱动电路，二极管采用快恢复的 FR107 管。2.4 栅极驱动电阻的选择使用 M57962L，必须选择合适的驱动电阻。为了改善栅极控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减小集电极电流的上升率（di/dt ），需要在栅极回路中串联电阻 RG，若栅极电阻过大，则 IGBT 的开通与关断能耗均增加；若栅极电阻过小则使 dicdt 过大可能引发 IGBT 的误导通，同时

11、 R。上的能耗也有所增加。所以选择驱动电阻阻值时，要综合考虑这两方面的因素，并防止输出电流，IOP 超过极限值 5 A.RG 的选取可以依据公式：对大功率的 IGBT 模块来说，RGMIN 数值一般按下式计算：这是因为对于大功率的 IGBT 模块，为了平衡模块内部栅极驱动和防止内部的振荡，模块内部的各个开关器件都会包含有栅极电阻器 R G（INT） ，R G（INT） 数值视模块种类不同而不同，一般在 0.753 之间，而 f 的数值则依靠栅极驱动电路的寄生电感和驱动器的开关速度来决定，所以获得 R GMIN 的最佳办法就是在改变 RG时监测 IOP，当 IOP达到最大值时，RG 达到极限值

12、R GMIN 。但在使用中应注意，R G不能按前面的公式计算，而要略大于 R GMIN 。如 RG过小会造成 IGBT 栅极注入电流过大，使 IGBT 饱和，无法关断，即在驱动脉冲过去的一段时间内 IGBT 仍然导通。本设计中要驱动 IGBT 为大电流的功率器件，所以在选择 RG时综合上述的要求，选取 RG 为 3.5 。3 结束语本设计电路已经成功应用在助航灯恒流调光器电源中，取得较好的实用效果。IGBT 驱动电路的作用及 IGBT 对驱动电路的要求IGBT驱动电路的作用：IGBT 驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大，以达到驱动 IGBT 功率器件的目的。在保证 IGBT 器

13、件可靠、稳定、安全工作的前提，驱动电路起到至关重要的作用。IGBT 的工作特性：IGBT 的等效电路及符合如图 1 所示,IGBT 由栅极正负电压来控制。当加上正栅极电压时,管子导通;当加上负栅极电压时,管子关断。IGBT 具有和双极型电力晶体管类似的伏安特性,随着控制电压 UGE 的增加,特性曲线上移。开关电源中的 IGBT 通过 UGE 电平的变化, 使其在饱和与截止两种状态交替工作。IGBT 对驱动电路的要求：(1)提供适当的正反向电压, 使 IGBT 能可靠地开通和关断。当正偏压增大时 IGBT 通态压降和开通损耗均下降,但若 UGE 过大,则负载短路时其 IC 随 UGE 增大而增大

14、 ,对其安全不利,使用中选 UGE15V 为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使 IGBT 误导通,一般选 UGE=-5V 为宜。(2)IGBT 的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下,IGBT 的开频率不宜过大,因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压,及有可能造成 IGBT 自身或其他元件击穿。(3)IGBT 开通后, 驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使 IGBT 在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。(4)IGBT 驱动电路中的电阻 RG 对工作性能有较大的影响,RG 较大,有利于抑制 IGBT 的电流上升率及电压上升率,但会增加 IGBT 的开关时间和开关损耗;RG 较小,会引起电流上升率增大 ,使 IGBT 误导通或损坏。RG 的具体数据与驱动电路的结构及 IGBT 的容量有关,一般在几欧几十欧,小容量的 IGBT 其 RG 值较大。(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对 IG2BT 的保护功能。IGBT 的控制、 驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配, 另外,在未采取适当的防静电措施情况下,G E 断不能开路。