IGBT驱动电路设计

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，MOSFE内形成沟道，并为PNR晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时从2区注入到 N区的空穴（少子）对N区进行电导调制，减小W区的电阻 Rr，使阻断电压高的IGBT也具有低的通态压降。当栅极上 施以负电压时。MOSFE内的

2、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(/= L414x380=537.32 V .(1)考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为1 200 V2）IGBT导通时承受的峰值电流。佔迈 i414x7&9二1 163 A .(2)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、SEMIKRO公司的SKM400GA128D2.2 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dv/dt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dVcE/dt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dVcE/dt电流引起的误触发等问题（见表1）。表1 IGB

4、T门极驱动条件与器件特性的关系特性1 路能力电庇d I7曲/出十y迂增加*降低降低降低增加-YGE减小!略减小减小几增大增加增加車小由于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

5、下，Vge越高，VDs傩就越低，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

6、有栅极电压限幅电路，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具有电流拖尾效应，所以光耦

7、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。M579621可分别驱动600 7/200 A和600 7/400 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流电阻（约185 ）,可将5 V的电压直接加

8、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。检测电路图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R偏大时，会增大td（。）（导通延迟时间），t d（off ）（截止延迟时间），tr （上升时间）和开关损耗，在高频应用（超过 5 kHz）时，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

9、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Gs （反向传输电容）流到M57962L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图2 IGBT驱动电路电源去耦电容C2C7采用铝电解电容器，容量为100 uF/50 V, R1阻值取1 kQ，R2阻值取1.5k Q，R3取5.1 k ，电源采用正负15 V电源模块分别接到M57962L的4脚与6脚，逻辑控制信号IN经13脚输入驱动器M57962L双向 稳压管Z1选择为9.

10、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dic/dt过大可能引发IGBT的误导通，同时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

11、一般按下式计算:&;=（卜cxH）厂/&艸门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Rg（int），Rg（int）数值视模块种类不同而不同，一般在 0.75 3Q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 R GMIN。但在使用中应注意，FG不能按前面的公式计算，而要略大于 Rgmin。如FG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

12、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 R时综合上述的要求，选取 RG为3.5 Q。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。OC图I等效电路及符号IGB

13、T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勺增加，特性曲线上移。开关电源中的IGBT通过UGBfe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大，则负载短路时其IC随UGE增大而增大，对其安全不利，使用中选UGV 15V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

14、，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

15、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。ZH IGBT的驱动血路要求IGBT 普通品体三BI管一样.可工作在輪性放大& 龟和区和Ut瓦 在使用中主要作为开 茨5S件廊用即工和区村截止区。在驱动电路屮工耍也究IGHTIEM!和总遍和黴II-两平状恵* K其开通上升沿和关断卜降厝訓比较陡櫃根正向如动电斥的大小将対电籍性能产牛僅嬰世瞩 必須正師选杼“肖正向駆动电乐增大时，IGRT的导瀚电阻下降懐开通插耗减小i但若正向敗动 电伍过大血员戦悔踣时其艶路电说IC騎UGE増大而增大.可能槌JGBT出現華性效应导致门控 失效*从耐造jjtlGBT的擬坏,若正

16、间驱动电用过小会使GBTjttdW和导理区丽进入戲性at大区 域,ttKBT过黒根坏,使川中选12VUGEIbV为好、栅极负就g电肿闪止由于吴斷时浪補 电液过大而ffilGHT般负債童电压选 討为宜*另外，【GBT开通廉那幼电歸应捉供圧爐的堪压利电法WS值,ft lGHI在正常I作堆讨锻情抚卜不致退出饱和导ifflX ift损坏,IGBTit斷吋，橱射极电压容易受IGBT和电路奇生塞数的干扰.使II射电压引赴譽件谋导適, 为舫止这种现象发生，乔耍右撮射按何井接个电粗。在实际应用中为防止冊做那动电跆山现高压 氏0程 作册州權间片接两就反向申囁的稳JL擾祥，耳菴压憤应与正負欄压相同【GBT快速开通 和关断有利十提髙工作频率.减小开关损耗一用:任犬电憊负扳卜【GRT的开关皴率恥賣过大.因为 応速开酒和关断时，公产牛很岛上父峰电压.様有可能造成【GRT或其他元器仲被击孰台込的冊极骡动电阻RG和櫥射电容CG XJ IGBT的雜功村肖重裁口艮G较小“欄射极Z间的 免放电时河常数比较小.仝便川讪瞬的Hiii以城CE电li的山仙 较丈*徂大时会损坏【GBT, R（i 校大有利干抑制砂，但会増血JGBT的开关时间和开关搦耘 合适的0G有科于抑制CE电 區的du；di,而7F关时何和JTXftltt也比较适合。J）门驱动电阻R与驱豹功率估