大功率IGBT模块的驱动电路及参数选择

1、文章编号:1009-2269(200302-0032-04大功率I G B T 模块的驱动电路及参数选择刘燕(兰州工业高等专科学校电气工程系,甘肃兰州730050摘要:根据IG B T 模块的工作特性介绍了三种栅极驱动电路,即分立元件组成的驱动电路、集成元件组成的驱动电路、混合驱动电路,并讨论了栅极驱动正向电压、反向关断电压及R G 参数的合理确定。关键词:IG B T ;驱动电路;参数选择中图分类号:TN 710文献标识码:BIG B T 是MOSFET 与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET 易驱动的特点,又具有功率晶体管电流容量大等优点。IG B T 以其独特的高耐压、大电流,较低的

2、导通压降,优良的开关特性,使其具有很宽的应用领域。IG B T 频率特性介于MOSFET 与功率晶体管之间,可正常工作于几十千赫频率范围内,特别在较高频率的大、中功率应用中占据了主要地位。IG B T 是电压控制型器件,输入电阻很大,工作时基本上不消耗功率,但IG B T 的栅源极间存在着较大的电容量(几千至上万皮法。驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安培的充放电电流,才能满足它开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。IG B T 作为一种大功率的复合器件,要保证它安全可靠高效地工作,驱动电路设计及驱动参数选择是十分必要的。1栅极驱动电路IG B T 模块的驱动电路

3、对于IG B T 的工作效率起着决定性的作用。对驱动电路的要求是既要减小开关损耗,又要求驱动波形好,振荡小,过冲小。IG B T 工作于开关状态时,必须对栅极进行充放电,充放电曲线如图1所示,可以看出驱动IG B T 需要一定的电荷量,也就是驱动电路必须提供一定的驱动电压及驱动功率1。驱动电路必须具备两个功能:一是实现控制电路与被驱动IG B T 栅极的电隔离;二是提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。图1栅极电荷曲线图2为采用光电耦合器构成的分立元件IG B T 驱动电路。当输入控制信号时,光耦VLC 导通,晶体管V 2截止,V 3导通,经V C 、V

4、3、R G 输出+15V 驱动电压,使IG B T 开通。输入信号为零时,VLC 截止,V 2,V 4导通,输出-10V 电压,使IG B T 截止。由于IG B T 具有MOS 栅极构造,在开关过程中,栅极电流用于给栅极充、放电。在V 3导通时,电源+V C 通过R G 对IG B T 的栅极进行充电,在V 4导通时,通过R G 形成IG B T第10卷第2期2003年6月兰州工业高等专科学校学报Journal of Lanzhou Polytechnic College Vol.10,No.2J un.,2003收稿日期:2003-03-10作者简介:刘燕(1964-,女,山东济宁人,副教

5、授.栅极的放电通路。+15V 和-10V 电源需靠近驱动电路,驱动电路输出端及电源地端至IG B T 栅极和源极的引线应采用双绞线,长度最好不超过0.5m ,以减小连线电感2,抑制振荡电压 。 图2分立元件构成的驱动电路图3集成电路构成的驱动电路图3为由集成电路TL P250构成的驱动电路。TL P250内置光耦的隔离电压可达2500V ,上升和下降时间均小于0.5s ,输出电流达0.5A ,可直接驱动50A/1200V 以内的IG B T 元件,外加推挽放大晶体管后,可驱动电流容量更大的IG B T 。TL P250构成的驱动器体积小,价格便宜,是不带过流保护的IG 2B T 驱动器中较理想

6、的选择。图4为由驱动模块EXB841构成的带短路保护的驱动电路。驱动模块EXB841中的光电耦合器对1415端的输入控制电路与13端输出电路及电源29端进行隔离。当1415端有正脉冲时,光耦导通,13端输出脉冲幅值为+15V ;当1415端没有正脉冲时,光耦截止,13端子间处于-10V 偏压。29端和19端的电容用于触发电源和1号输出端的平波。快速二极管ERA34-10用于IG B T 的短路保护,6号端子经ERA34-10接至主回路IG B T 的集电极。当IG 2BT 发生短路(过电流故障时,由IG BT 输出特性知道,U CE 将随I C 急剧增大而增大。本来处于导通状态的ERA34图4

7、电路混合模块组成的驱动电路-10因此反向截止,驱动电路保护功能动作,输出触发电压U GE 从+15V 下拉到+10V ,IG B T 能承受短路的时间增长,从而允许变频器装置内硬件、特别是软件能有充分的时间去执行软关断保护。与此同时5号端子所接的光电耦合器动作,耦合器的输出端接至控制电路,使之封锁住触发信号,保护了IG B T 不继续导通。33第2期刘燕:大功率IG B T 模块的驱动电路及参数选择2驱动参数选择2.1栅极驱动的正向电压IG B T 栅极驱动的正向电压是一个重要参数。导通时,集电极-发射极间电压U CE 随集电极电流I C 、栅极驱动电压U GE 而变化。从图5中我们看出,在同

8、样的集电极电流下,U GE =15V 时对应的U CE 明显比U GE =10V 的U CE 小,一般而言,U GE 越大,U CE 越小,通态功耗越小,所以一般希望有较高的栅极电压以提高变换器的整机效率。但是,过高的栅极电压将对集电极电流I C 产生明显影响,U GE 增加,I C 电流增加,如图6所示,当栅极电压超过门限电压后,集电极电流I C 随栅极电压U GE 的增加而急剧上升,当外电路发生严重过流或短路时,集电极将承受较大电流的冲击,而且冲击电流越大,能承受电流冲击的时间就越短1。所以栅极电压低一些可减轻短路时大电流的冲击。对于IG B T 来说,栅极-发射极间电压U GE 的最大允

9、许值为U GE =±20V 。综合考虑并经实验验证,栅极正向驱动电压设定为+15V 时效果较好 。图5IGBT 功率管U GE -U CE 曲线图6IG B T 功率管U GE -I C 曲线2.2栅极关断反向电压IG B T 在关断过程中,栅极与射极之间要加负偏压,这样有助于提高IG B T 的抗干扰能力,加快IG B T 的关断,但反向偏压的大小受IG B T 栅极与发射极之间最大反向耐压及最小控制电压的限制1。IG B T 在芯片形成时,各电极之间存在分布电容,当在栅源之间加负偏压,使IG B T 处于关断,而C -E 两端有变化的电压时,此电压经电容形成充电电流。当U GE

10、负偏压较大时,该电流还不足以使栅极电位升得太高。而当U GE 负偏压较小时,栅极电压将升高,并足以使IG B T 导通,从而使I C 增大,从而造成误导通,影响整个电路的工作,因此,IG B T 关断时要加5V 以上的负偏压。一般中等功率变换器反偏压56V 即可,大功率变换器的IG B T 一般可加912V 的反偏压。2.3R G 和R GE 的参数大小由于IG B T 栅极输入为电容型,静态驱动时几乎没有直流电流,其直流增益很高。但工作在几十千赫的开关状态时,为了防止栅极电容和驱动电路的分布电感产生自激振荡,一般要在栅极串联消振电阻R G ,用来降低振荡回路的Q 值,破坏自激振荡的条件。IG

11、 B T 栅极驱动电压的上升、下降速率对IG B T 的开通和关断过程有着较大的影响。在正常情况下,IG B T 的开通越快,损耗越小,所以栅极串联电阻小有利于IG B T 的开通,但在开通过程中,开通越快,IG B T 承受的峰值电流越大,越容易导致IG B T 的损坏,此时又应增加电阻R G 以降低栅极驱动上升速率,因此,R G 的大小应综合考虑,对于输出电流在500A 左右的IG B T ,电阻R G 取23比较合适3。当IG B T 集电极在高压下工作时,为防止栅极受外界干扰造成误触发导通,应在栅极和发射极之间并联一个电阻R GE ,这个电阻应紧靠栅极和发射极,并且电阻值不能太小,否则

12、会造成栅极驱动电压不足和关断43兰州工业高等专科学校学报第10卷过快,使集电极产生较高的尖峰电压。此电阻一般为几十千欧。3结束语栅极驱动电路对于IG B T 模块的工作效果有着显著的影响,因此掌握驱动电路的工作原理、特点,对IG 2B T 模块正确选择与使用是很重要的。栅极驱动电压及栅极串并联电阻对IG B T 的开通过程驱动波形有很大影响,设计时应综合考虑。参考文献:1陈国呈.PWM 变频调速及软开关电力变换技术M .北京:机械工业出版社,2001.2蒋怀刚,袁开发,何志伟.IG B T 模块驱动及保护技术J .电源世界,2002,(7:2226.3李崇建.通信电源技术标准及测量M .北京:

13、北京邮电大学出版社,2002.The Drive Circuit and Parameter Selecting of the Big -pow er IGBT ModuleL IU Yan(The Electrical Engineering Department of Lanzhou Polytechnic College ,Lanzhou 730050,China Abstract :According to working characteristics of IG B T module ,three kinds of grid drive circuits are introduced in this paper ,that is ,the drive circuits consisted of discrete component ,integration component and mixing drive module