IGBT的栅极驱动电路

1、13.2IGBT的栅极驱动电路的栅极驱动电路 n3.2.1 对对IGBT栅极驱动电路的要求栅极驱动电路的要求nIGBT的栅极驱动条件密切地关系到它的静的栅极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。态和动态特性。n栅极电路的正偏压栅极电路的正偏压VGE、负偏压、负偏压-VGE和栅极和栅极电阻电阻RG的大小，对的大小，对IGBT的通态压降、开关的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及时间、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。电流等参数有不同程度的影响。 2栅极驱动条件与器件特性的关系栅极驱动条件与器件特性的关系 n栅极正电压栅极正电压VGE的变化对的变化对IGB

2、T的开通特性，的开通特性，负载短路能力和负载短路能力和dVCE/dt电流有较大影响。电流有较大影响。n栅极负偏压则对关断特性的影响比较大。栅极负偏压则对关断特性的影响比较大。 31. IGBT对栅极驱动电路的特殊要求对栅极驱动电路的特殊要求n由于由于IGBT的开关特性和安全工作区随着栅极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，因而驱动电路性能不驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能不好常常导致器件损坏，好常常导致器件损坏，IGBT对驱动电路有许对驱动电路有许多特殊的要求：多特殊的要求：n1) 驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。 n2) IG

3、BT导通后，栅极驱动电路提供给导通后，栅极驱动电路提供给IGBT的的驱动电压和电流要有足够的幅度。驱动电压和电流要有足够的幅度。n瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证足以保证IGBT不退出饱和区而损坏。不退出饱和区而损坏。 41. IGBT对栅极驱动电路的特殊要求对栅极驱动电路的特殊要求n3) IGBT的栅极驱动电路提供给的栅极驱动电路提供给IGBT的正向驱的正向驱动电压十动电压十VGE要取合适的值，特别是具有短路要取合适的值，特别是具有短路工作过程的设备中使用工作过程的设备中使用IGBT时，其正向驱动时，其正向驱动电压更应选择所需要的最小值

4、。电压更应选择所需要的最小值。 n4) IGBT的关断过程中，栅一射极间施加的负的关断过程中，栅一射极间施加的负偏压有利于偏压有利于IGBT的快速关断，但也不宜取的的快速关断，但也不宜取的过大。过大。(一般取一般取-10V)51. IGBT对栅极驱动电路的特殊要求对栅极驱动电路的特殊要求n5) 在大电感负载的情况下，过快的开关速度，在大电感负载的情况下，过快的开关速度，反而是有害的，大电感负载在反而是有害的，大电感负载在IGBT的快速开通的快速开通和关断时，会产生高频且幅值很高而宽度很窄和关断时，会产生高频且幅值很高而宽度很窄的尖峰电压的尖峰电压Ldi/dt，该尖峰不易吸收，容易造，该尖峰不易

5、吸收，容易造成器件损坏。成器件损坏。n6) 由于由于IGBT多用于高压场合，所以驱动电路应多用于高压场合，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。高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。61. IGBT对栅极驱动电路的特殊要求对栅极驱动电路的特殊要求n7) IGBT的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用，应的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用，应具有具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗尽可能地低。输出阻抗尽可能地低。n8) 驱动电路的栅极配线走向应与主电流线尽可能远，

6、驱动电路的栅极配线走向应与主电流线尽可能远，同时驱动电路到同时驱动电路到IGBT模块栅一射引线应尽可能的短，模块栅一射引线应尽可能的短，采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，并从栅极直接接到被采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，并从栅极直接接到被驱动驱动IGBT的栅一射极。的栅一射极。n9) 同一电力电子设备中，使用多个不同电位的同一电力电子设备中，使用多个不同电位的IGBT的时候，一定要使用光隔离器，解决电位隔离的问题。的时候，一定要使用光隔离器，解决电位隔离的问题。72. IGBT栅极驱动电路应满足的条件n1) 栅极驱动条件对栅极驱动条件对IGBT特性的影响特性的影响n通态压降和开通损耗与栅极电压关系曲线通

7、态压降和开通损耗与栅极电压关系曲线 82) 负偏压负偏压-VGE对对IGBT的可靠运行的影响的可靠运行的影响 n图图3.7 集电极浪涌电流和关断能耗与栅极负偏压的关系集电极浪涌电流和关断能耗与栅极负偏压的关系 93) 栅极电阻RG的影响 n栅极电阻栅极电阻RG增加，将使增加，将使IGBT的开通与的开通与关断时间增加，因而使开通和关断能关断时间增加，因而使开通和关断能耗均增加。耗均增加。n而栅极电阻减小，又使而栅极电阻减小，又使dic/dt增高，可增高，可能引发能引发IGBT误导通，同时误导通，同时RG 上的损上的损耗也有所增加。但耗也有所增加。但RG 的增大会使的增大会使IGBT的开关时间增加

8、，进而使开关损的开关时间增加，进而使开关损耗增加，耗增加，10图3.8 栅极电阻的影响曲线图11栅极电阻的选取栅极电阻的选取n根据根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开的电流容量和电压额定值以及开关频率的不同选择不同的关频率的不同选择不同的RG 阻值，一般应阻值，一般应选选RG 在几欧姆到几十欧姆之间，如下表所在几欧姆到几十欧姆之间，如下表所示示 123.2.2 EXB840系列集成驱动电路系列集成驱动电路n1. 主要性能指标。主要性能指标。 n1) 最高工作频率：最高工作频率：40kHZn2) 驱动输出电压：驱动输出电压：20Vn3) 光耦输入电流：光耦输入电流：10mAn4) 输出栅流峰

9、值：输出栅流峰值：4An5) 驱动器件：驱动器件：300A/1.2kV的的IGBTn6) 短路屏蔽时间：短路屏蔽时间：1.3us13EXB841集成驱动电路的原理图集成驱动电路的原理图 a) 结构图结构图 b) 原理图原理图 c) 接线图接线图1过电流保过电流保护电路护电路 2信号隔信号隔离电路离电路 3电压放电压放大电路大电路14（2）工作原理）工作原理 EXB 系列系列厚膜集成厚膜集成驱动电路驱动电路的内部原的内部原理电路如理电路如图图8.26所示所示由图可知，由图可知，光电耦合器光电耦合器OC1组成隔离环节；组成隔离环节；T2、T4、T5和和R1、C1、R2、R9组成放大环节组成放大环节

10、；T1、T3、D1、DW1 和和C2、R3、R4、R5、R6、C3、R7、R8、C4组成过流保护环节组成过流保护环节；5 V基准电压环基准电压环节节由由R10、DW2 和和 C5组成组成。 15 开开通过通过程。程。 光电耦合器光电耦合器 OC1 导通导通，A点电位降到点电位降到0 V，使使T1和和T2截截止。止。T2截止截止使使D点电位上升到点电位上升到20 V，T4导通，导通，T5截止。截止。T4通过栅极电阻通过栅极电阻 RG 向向 IGBT 的栅极提供一个驱动电流的栅极提供一个驱动电流使其导通使其导通 。16nT1截止截止，使，使20 V电源通过电源通过R3向电容向电容C2充电，充电，B

11、点电点电位上升位上升，由于，由于IGBT约约1s后导通，后导通，uCE下降至下降至3 V，从，从而将而将EXB841引脚引脚6的电位的电位钳制在钳制在8 V左右左右 ，因此，因此，B点点和和C点电位只能到点电位只能到8 V左右。左右。DW1 的稳压值为的稳压值为13 V 。n当当IGBT正常开通时正常开通时，DW1 不会被击穿，不会被击穿，T3不导通不导通 。 开开通过通过程。程。 17 关关断过断过程程。 开通信号取消后开通信号取消后，光电耦合器，光电耦合器OC1截止，截止，A点电位上升，使点电位上升，使T1和和T2导通导通，而而T2的导通的导通又使又使T4截止、截止、T5导通导通，IGBT

12、的栅极电的栅极电荷通过荷通过T5迅速放电，迅速放电，EXB841引脚引脚3的电位迅速下降至的电位迅速下降至0 V，使使IGBT可靠关断可靠关断 。18T1导通导通，使，使C2通过通过T1放电，放电，将将B点和点和C点电位钳点电位钳制在制在0 V，DW1仍不导通仍不导通，后面电路不会动作，后面电路不会动作，IGBT正常关断。正常关断。 关关断过断过程程。 19 保保护动作护动作过程。过程。 当发生短路当发生短路，IGBTIGBT承受大电流而退饱和时，承受大电流而退饱和时，u uCECE上升很上升很快，二极管快，二极管D D2 2截止，截止，B点和点和C点电位开始由点电位开始由8 8 V V上升上

13、升，当当上升到上升到1313 V V时，时，D DW1W1 被击穿，被击穿，T T3 3导通，导通，C4通过通过R7和和T3放放电，电，E点电位逐步下降点电位逐步下降，二极管，二极管D D1 1导通使导通使D D点电位也逐步点电位也逐步下降，从而使下降，从而使EXB841EXB841引脚引脚3 3的电位也逐步下降，的电位也逐步下降，慢慢关慢慢关断断IGBTIGBT。203.2.3 HR065 IGBT厚膜集成驱动电路厚膜集成驱动电路 （1 1）内部结构和工作原理）内部结构和工作原理输入脉冲信号经输入脉冲信号经高速光耦合器隔高速光耦合器隔离后，通过传输离后，通过传输级即可送到输出级即可送到输出级

14、，产生正、负级，产生正、负偏压加到偏压加到 IGBT 栅极。栅极。 故障检测电路动作时，经开关故障检测电路动作时，经开关 S2向故障信号输出电路及导通保向故障信号输出电路及导通保持电路发出动作信号。持电路发出动作信号。导通保持电路的作用是实现所谓的导通保持电路的作用是实现所谓的“软关断软关断” 。软关断的好处是可延长软关断的好处是可延长IGBT承受短路的时间，同时能有效地抑承受短路的时间，同时能有效地抑制制C、E端的关断尖峰电压，避免器件因过电压而击穿。端的关断尖峰电压，避免器件因过电压而击穿。逻辑电路的作用是保证只有在输出正向偏压期间，故障检测电逻辑电路的作用是保证只有在输出正向偏压期间，故

15、障检测电路才起作用，其余时间不起作用。路才起作用，其余时间不起作用。 21HR065的的内部电路内部电路原理图原理图 具体工作原理如下：具体工作原理如下：光耦合器光耦合器OC1、晶体管晶体管T1、T2、T3及电阻构成了驱动器及电阻构成了驱动器的基本电路。的基本电路。其中其中T2、T3为一对互补推挽输出管，为一对互补推挽输出管，T2导导通时通时T3必须截止，驱动器向必须截止，驱动器向IGBT栅极输出正电压，反栅极输出正电压，反之输出负电压。之输出负电压。T1为信号中间推动管。为信号中间推动管。光耦合器光耦合器OC1起传递输入信号和实现输入、输出隔离的起传递输入信号和实现输入、输出隔离的双重作用。

16、双重作用。 22T4、T5、D1及及R4R8、C1C3 构成了过电流检测、故障构成了过电流检测、故障信号输出电路及导通保持电路。信号输出电路及导通保持电路。当当IGBT正常导通时，正常导通时，引脚引脚8和引脚和引脚1之间的电压（为之间的电压（为IGBT饱和压降与外接检测二极管正向压降之和）较低，饱和压降与外接检测二极管正向压降之和）较低，故故 DW1 中无电流通过中无电流通过，T5基极没有正向偏置而处于截止状态，基极没有正向偏置而处于截止状态，故故障输出端障输出端5、6之间无电压输出。之间无电压输出。 23当发生过电流时当发生过电流时，IGBT的饱和压降随着短路电流的的饱和压降随着短路电流的增

17、大而升高，当增大到超过某一设定值时，增大而升高，当增大到超过某一设定值时，DW1 反向反向导通，为导通，为T5提供基极电流，提供基极电流，T5由截止转为导通，由截止转为导通，故障故障输出端有电压输出，输出端有电压输出，此时此时D1导通，导通，强行将强行将T2、T3的基的基极电流减小，极电流减小，使使T2从饱和区退回到放大区，从饱和区退回到放大区，造成输出造成输出正向驱动电压下降，正向驱动电压下降，以实现软关断。以实现软关断。 24另一方面，另一方面，T5导通时，导通时，产生正向脉冲信号经产生正向脉冲信号经C2耦合到耦合到导通保持电路，导通保持电路，由于由于C3的作用的作用，可使，可使T4保持约

18、保持约30s45s的导通状态的导通状态，保证了保证了T1在这段时间内可靠截止，在这段时间内可靠截止，不受输入端信号的影响。不受输入端信号的影响。如果在这段时间内如果在这段时间内，过电流故障撤销，过电流故障撤销，则则D1截止截止，正，正向驱动电压恢复正常，向驱动电压恢复正常，IGBT 照常工作。照常工作。 25n此段时间以后，如过电流故障仍然存在，此段时间以后，如过电流故障仍然存在，在输入封锁信在输入封锁信号作用下，号作用下，光耦合器光耦合器 OC1 中的晶体管截止，中的晶体管截止，使使T1导通，导通，立即在立即在IGBT栅极上形成负偏电压而关断器件，栅极上形成负偏电压而关断器件，同时同时T6导

19、导通，通，故障检测电路不起作用。故障检测电路不起作用。nT6起着一个逻辑电路的作用，起着一个逻辑电路的作用，即只在驱动器输出正向电即只在驱动器输出正向电压时才开放过电流检测电路，压时才开放过电流检测电路，其他情况下均使其无效，其他情况下均使其无效，这样才能可靠地防止这样才能可靠地防止“假过电流假过电流”。263.2.4 M579系列集成驱动电路系列集成驱动电路nM57959L/M57962L混合集成驱动电路最高工混合集成驱动电路最高工作频率也为作频率也为40kHz，n采用双电源供电采用双电源供电(+15V和和-10V)，输出电流峰值，输出电流峰值分别为分别为2A(M57959L)和和5A(M5

20、7962L)，n电路驱动部分与电路驱动部分与EXB系列相仿，系列相仿，n过电流保护的特色：其检测方法仍用电压采样，过电流保护的特色：其检测方法仍用电压采样，保护方法则采用栅压缓降，实现保护方法则采用栅压缓降，实现IGBT软关断，软关断，避免关断中过电压。避免关断中过电压。 27M579系列的电路框图系列的电路框图 a）框图）框图 b）原理图）原理图1接口电路接口电路 2检测电路检测电路 3定时电路定时电路 4栅极减压栅极减压/封锁电路封锁电路 5输出电路输出电路283.2.5 2SD315A型集成驱动电路型集成驱动电路n1. 2SD315A简介简介n2SD315A是瑞士是瑞士CONCEPT公司

21、推出的公司推出的SCALE系列驱动电路中应用较多的一种，系列驱动电路中应用较多的一种， 是是可驱动和保护大功率可驱动和保护大功率IGBT的专用集成驱动电的专用集成驱动电路。路。n该电路可广泛的应用于大功率电机控制器、弧该电路可广泛的应用于大功率电机控制器、弧焊电源、焊电源、DC/DC变换器等领域。变换器等领域。n2SD315A内部包含有两路内部包含有两路IGBT驱动电路，可驱动电路，可用于驱动两路用于驱动两路IGBT，且具有安全性、智能性，且具有安全性、智能性与易用性等特点。与易用性等特点。 292. 2SD315A的内部结构的内部结构n三大功能模块：三大功能模块：n1.LDI（逻辑驱（逻辑驱

22、动转换接口动转换接口 ）n2.IGD（智能门（智能门极驱动极驱动 ）n3.输入与输出相输入与输出相互绝缘的互绝缘的DC/DC转换器转换器 303. 2SD315A的特点的特点n1）可选择的工作模式与死区时间）可选择的工作模式与死区时间n2SD315A 可产生独立工作模式与半桥工作模式两可产生独立工作模式与半桥工作模式两种工作模式。种工作模式。n在独立工作模式下在独立工作模式下 ,驱动器的两路输出信号相互之驱动器的两路输出信号相互之间没有任何逻辑联系。间没有任何逻辑联系。n在半桥工作模式下在半桥工作模式下 ,驱动模块本身可以直接产生所驱动模块本身可以直接产生所需要的死区时间需要的死区时间 ,使驱

23、动的两路输出信号不会同时使驱动的两路输出信号不会同时为高电平。为高电平。n2）可选择的控制逻辑电平）可选择的控制逻辑电平n2SD315A 驱动模块采用驱动模块采用 15V 单电源供电单电源供电,输入控制输入控制信号信号 InA 与与 InB 可以分别采用可以分别采用TTL 电平与电平与 +15V 电电平两种模式工作。平两种模式工作。313. 2SD315A的特点的特点n3）可选模式的信号输入与状态输出）可选模式的信号输入与状态输出n控制侧的两路信号分别从引脚控制侧的两路信号分别从引脚 InA 与与 InB 输入。输入。在不同的工作模式下在不同的工作模式下 ,这两路信号有着不同的功这两路信号有着不同的功能。能。n在直接模式下在直接模式下,