IGBT的栅极驱动电路解读课件

3.2IGBT的栅极驱动电路

3.2.1对IGBT栅极驱动电路的要求IGBT的栅极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。栅极电路的正偏压VGE、负偏压-VGE和栅极电阻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。

13.2IGBT的栅极驱动电路3.2.1对IGBT栅极驱栅极驱动条件与器件特性的关系

栅极正电压VGE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。栅极负偏压则对关断特性的影响比较大。2栅极驱动条件与器件特性的关系栅极正电压VGE的变化对IGB1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求由于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，因而驱动电路性能不好常常导致器件损坏，IGBT对驱动电路有许多特殊的要求：1)驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。2)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。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区而损坏。

31.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求由于IGBT的开关特1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求3)IGBT的栅极驱动电路提供给IGBT的正向驱动电压十VGE要取合适的值，特别是具有短路工作过程的设备中使用IGBT时，其正向驱动电压更应选择所需要的最小值。4)IGBT的关断过程中，栅一射极间施加的负偏压有利于IGBT的快速关断，但也不宜取的过大。(一般取-10V)41.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求3)IGBT的栅极1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求5)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IGBT的快速开通和关断时，会产生高频且幅值很高而宽度很窄的尖峰电压Ldi/dt，该尖峰不易吸收，容易造成器件损坏。6)由于IGBT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，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。51.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求5)在大电感负载的1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求7)IGBT的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用，应具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗尽可能地低。8)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IGBT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驱动IGBT的栅一射极。9)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。61.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求7)IGBT的栅极2.IGBT栅极驱动电路应满足的条件1)栅极驱动条件对IGBT特性的影响通态压降和开通损耗与栅极电压关系曲线72.IGBT栅极驱动电路应满足的条件1)栅极驱动条件对2)负偏压-VGE对IGBT的可靠运行的影响

图3.7集电极浪涌电流和关断能耗与栅极负偏压的关系82)负偏压-VGE对IGBT的可靠运行的影响图3.73)栅极电阻RG的影响栅极电阻RG增加，将使IGBT的开通与关断时间增加，因而使开通和关断能耗均增加。而栅极电阻减小，又使dic/dt增高，可能引发IGBT误导通，同时RG上的损耗也有所增加。但RG的增大会使IGBT的开关时间增加，进而使开关损耗增加，93)栅极电阻RG的影响栅极电阻RG增加，将使IGBT的开图3.8栅极电阻的影响曲线图

10图3.8栅极电阻的影响曲线图

10栅极电阻的选取根据IGBT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RG阻值，一般应选RG在几欧姆到几十欧姆之间，如下表所示11栅极电阻的选取根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率3.2.2EXB840系列集成驱动电路1.主要性能指标。1)最高工作频率：40kHZ2)驱动输出电压：±20V3)光耦输入电流：10mA4)输出栅流峰值：±4A5)驱动器件：300A/1.2kV的IGBT6)短路屏蔽时间：1.3us123.2.2EXB840系列集成驱动电路1.主要性能指标EXB841集成驱动电路的原理图

a)结构图b)原理图c)接线图1—过电流保护电路2—信号隔离电路3—电压放大电路13EXB841集成驱动电路的原理图a)结构图13（2）工作原理

EXB系列厚膜集成驱动电路的内部原理电路如图8.26所示由图可知，光电耦合器OC1组成隔离环节；T2、T4、T5和R1、C1、R2、R9组成放大环节；T1、T3、D1、DW1和C2、R3、R4、R5、R6、C3、R7、R8、C4组成过流保护环节；5V基准电压环节由R10、DW2和C5组成。

14（2）工作原理EXB系列厚膜集成驱动电路的内部原理电路如①

开通过程。

光电耦合器OC1导通，A点电位降到0V，使T1和T2截止。T2截止使D点电位上升到20V，T4导通，T5截止。T4通过栅极电阻RG向IGBT的栅极提供一个驱动电流使其导通。15①开通过程。光电耦合器OC1导通，A点电位降到0VT1截止，使＋20V电源通过R3向电容C2充电，B点电位上升，由于IGBT约1s后导通，uCE下降至3V，从而将EXB841引脚6的电位钳制在8V左右，因此，B点和C点电位只能到8V左右。DW1的稳压值为13V。当IGBT正常开通时，DW1不会被击穿，T3不导通。①

开通过程。

16T1截止，使＋20V电源通过R3向电容C2充电，B点电位上②

关断过程。

开通信号取消后，光电耦合器OC1截止，A点电位上升，使T1和T2导通，而T2的导通又使T4截止、T5导通，IGBT的栅极电荷通过T5迅速放电，EXB841引脚3的电位迅速下降至0V，使IGBT可靠关断。17②关断过程。开通信号取消后，光电耦合器OC1截止，A点电T1导通，使C2通过T1放电，将B点和C点电位钳制在0V，DW1仍不导通，后面电路不会动作，IGBT正常关断。②

关断过程。

18T1导通，使C2通过T1放电，将B点和C点电位钳制在0V，③

保护动作过程。

当发生短路，IGBT承受大电流而退饱和时，uCE上升很快，二极管D2截止，B点和C点电位开始由8V上升，当上升到13V时，DW1被击穿，T3导通，C4通过R7和T3放电，E点电位逐步下降，二极管D1导通使D点电位也逐步下降，从而使EXB841引脚3的电位也逐步下降，慢慢关断IGBT。19③保护动作过程。当发生短路，IGBT承受大电流而退饱和时3.2.3HR065IGBT厚膜集成驱动电路

（1）内部结构和工作原理输入脉冲信号经高速光耦合器隔离后，通过传输级即可送到输出级，产生正、负偏压加到IGBT栅极。

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持电路发出动作信号。导通保持电路的作用是实现所谓的“软关断”。软关断的好处是可延长IGBT承受短路的时间，同时能有效地抑制C、E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，故障检测电路才起作用，其余时间不起作用。

203.2.3HR065IGBT厚膜集成驱动电路

（1）HR065的内部电路原理图

具体工作原理如下：光耦合器OC1、晶体管T1、T2、T3及电阻构成了驱动器的基本电路。其中T2、T3为一对互补推挽输出管，T2导通时T3必须截止，驱动器向IGBT栅极输出正电压，反之输出负电压。T1为信号中间推动管。光耦合器OC1起传递输入信号和实现输入、输出隔离的双重作用。

21HR065的内部电路原理图具体工作原理如下：21T4、T5、D1及R4～R8、C1～C3

构成了过电流检测、故障信号输出电路及导通保持电路。当IGBT正常导通时，引脚8和引脚1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，故DW1中无电流通过，T5基极没有正向偏置而处于截止状态，故障输出端5、6之间无电压输出。

22T4、T5、D1及R4～R8、C1～C3构成了过电流当发生过电流时，IGBT的饱和压降随着短路电流的增大而升高，当增大到超过某一设定值时，DW1反向导通，为T5提供基极电流，T5由截止转为导通，故障输出端有电压输出，此时D1导通，强行将T2、T3的基极电流减小，使T2从饱和区退回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现软关断。

23当发生过电流时，IGBT的饱和压降随着短路电流的增大而升高，另一方面，T5导通时，产生正向脉冲信号经C2耦合到导通保持电路，由于C3的作用，可使T4保持约30s～45s的导通状态，保证了T1在这段时间内可靠截止，不受输入端信号的影响。如果在这段时间内，过电流故障撤销，则D1截止，正向驱动电压恢复正常，IGBT照常工作。

24另一方面，T5导通时，产生正向脉冲信号经C2耦合到导通保持电此段时间以后，如过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，光耦合器OC1中的晶体管截止，使T1导通，立即在IGBT栅极上形成负偏电压而关断器件，同时T6导通，故障检测电路不起作用。T6起着一个逻辑电路的作用，即只在驱动器输出正向电压时才开放过电流检测电路，其他情况下均使其无效，这样才能可靠地防止“假过电流”。25此段时间以后，如过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，光3.2.4M579系列集成驱动电路M57959L/M57962L混合集成驱动电路最高工作频率也为40kHz，采用双电源供电(+15V和-10V)，输出电流峰值分别为±2A(M57959L)和±5A(M57962L)，电路驱动部分与EXB系列相仿，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IGBT软关断，避免关断中过电压。263.2.4M579系列集成驱动电路M57959L/M57M579系列的电路框图

a）框图b）原理图1－接口电路2－检测电路3－定时电路4－栅极减压/封锁电路5－输出电路27M579系列的电路框图a）框图273.2.52SD315A型集成驱动电路1.2SD315A简介2SD315A是瑞士CONCEPT公司推出的SCALE系列驱动电路中应用较多的一种，是可驱动和保护大功率IGBT的专用集成驱动电路。该电路可广泛的应用于大功率电机控制器、弧焊电源、DC/DC变换器等领域。2SD315A内部包含有两路IGBT驱动电路，可用于驱动两路IGBT，且具有安全性、智能性与易用性等特点。

283.2.52SD315A型集成驱动电路1.2SD312.2SD315A的内部结构三大功能模块：1.LDI（逻辑驱动转换接口）2.IGD（智能门极驱动）3.输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器

292.2SD315A的内部结构三大功能模块：293.2SD315A的特点1）可选择的工作模式与死区时间2SD315A可产生独立工作模式与半桥工作模式两种工作模式。在独立工作模式下,驱动器的两路输出信号相互之间没有任何逻辑联系。在半桥工作模式下,驱动模块本身可以直接产生所需要的死区时间,使驱动的两路输出信号不会同时为高电平。2）可选择的控制逻辑电平2SD315A驱动模块采用15V单电源供电,输入控制信号InA与InB可以分别采用TTL电平与+15V电平两种模式工作。303.2SD315A的特点1）可选择的工作模式与死区时间33.2SD315A的特点3）可选模式的信号输入与状态输出控制侧的两路信号分别从引脚InA与InB输入。在不同的工作模式下,这两路信号有着不同的功能。在直接模式下,输入信号InA直接控制通道1,输入信号InB直接控制通道2;在半桥工作模式下,PWM信号从引脚InA输入,而引脚InB输入的信号被定义为“允许”信号,同时对两个通道起作用:当InB输入为高电平时,两通道处于正常工作状态,当InB输入为低电平时,两通道同时被封锁。

313.2SD315A的特点3）可选模式的信号输入与状态输出4.短路与过流保护2SD315A的两通道输出端都配备有Uce监测电路。当某一路或两路的驱动侧电力器件出现短路或过流现象时,驱动模块内部会产生一个典型值为1秒钟的封锁时间,在封锁期间,驱动模块处于封锁状态,将两组IGBT及时截止。同时,状态输出端对应的SO引脚也输出代表出现故障的低电平信号,可以用于其他保护控制。324.短路与过流保护2SD315A的两通道输出端都配备有5.智能型电源监控若给驱动模块供电的电源电压过低,将会影响驱动电路可靠性2SD315A驱动模块内集成了低电压监控电路,一旦电源输入电压低于10V,监控电路就向模块内部发送故障信号,使整个模块处于封锁状态,以保系统安全。

335.智能型电源监控若给驱动模块供电的电源电压过低,将会影3.2IGBT的栅极驱动电路

3.2.1对IGBT栅极驱动电路的要求IGBT的栅极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。栅极电路的正偏压VGE、负偏压-VGE和栅极电阻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。

343.2IGBT的栅极驱动电路3.2.1对IGBT栅极驱栅极驱动条件与器件特性的关系

栅极正电压VGE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。栅极负偏压则对关断特性的影响比较大。35栅极驱动条件与器件特性的关系栅极正电压VGE的变化对IGB1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求由于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，因而驱动电路性能不好常常导致器件损坏，IGBT对驱动电路有许多特殊的要求：1)驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。2)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。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区而损坏。

361.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求由于IGBT的开关特1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求3)IGBT的栅极驱动电路提供给IGBT的正向驱动电压十VGE要取合适的值，特别是具有短路工作过程的设备中使用IGBT时，其正向驱动电压更应选择所需要的最小值。4)IGBT的关断过程中，栅一射极间施加的负偏压有利于IGBT的快速关断，但也不宜取的过大。(一般取-10V)371.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求3)IGBT的栅极1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求5)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IGBT的快速开通和关断时，会产生高频且幅值很高而宽度很窄的尖峰电压Ldi/dt，该尖峰不易吸收，容易造成器件损坏。6)由于IGBT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，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。381.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求5)在大电感负载的1.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求7)IGBT的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用，应具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗尽可能地低。8)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IGBT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驱动IGBT的栅一射极。9)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。391.IGBT对栅极驱动电路的特殊要求7)IGBT的栅极2.IGBT栅极驱动电路应满足的条件1)栅极驱动条件对IGBT特性的影响通态压降和开通损耗与栅极电压关系曲线402.IGBT栅极驱动电路应满足的条件1)栅极驱动条件对2)负偏压-VGE对IGBT的可靠运行的影响

图3.7集电极浪涌电流和关断能耗与栅极负偏压的关系412)负偏压-VGE对IGBT的可靠运行的影响图3.73)栅极电阻RG的影响栅极电阻RG增加，将使IGBT的开通与关断时间增加，因而使开通和关断能耗均增加。而栅极电阻减小，又使dic/dt增高，可能引发IGBT误导通，同时RG上的损耗也有所增加。但RG的增大会使IGBT的开关时间增加，进而使开关损耗增加，423)栅极电阻RG的影响栅极电阻RG增加，将使IGBT的开图3.8栅极电阻的影响曲线图

43图3.8栅极电阻的影响曲线图

10栅极电阻的选取根据IGBT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RG阻值，一般应选RG在几欧姆到几十欧姆之间，如下表所示44栅极电阻的选取根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率3.2.2EXB840系列集成驱动电路1.主要性能指标。1)最高工作频率：40kHZ2)驱动输出电压：±20V3)光耦输入电流：10mA4)输出栅流峰值：±4A5)驱动器件：300A/1.2kV的IGBT6)短路屏蔽时间：1.3us453.2.2EXB840系列集成驱动电路1.主要性能指标EXB841集成驱动电路的原理图

a)结构图b)原理图c)接线图1—过电流保护电路2—信号隔离电路3—电压放大电路46EXB841集成驱动电路的原理图a)结构图13（2）工作原理

EXB系列厚膜集成驱动电路的内部原理电路如图8.26所示由图可知，光电耦合器OC1组成隔离环节；T2、T4、T5和R1、C1、R2、R9组成放大环节；T1、T3、D1、DW1和C2、R3、R4、R5、R6、C3、R7、R8、C4组成过流保护环节；5V基准电压环节由R10、DW2和C5组成。

47（2）工作原理EXB系列厚膜集成驱动电路的内部原理电路如①

开通过程。

光电耦合器OC1导通，A点电位降到0V，使T1和T2截止。T2截止使D点电位上升到20V，T4导通，T5截止。T4通过栅极电阻RG向IGBT的栅极提供一个驱动电流使其导通。48①开通过程。光电耦合器OC1导通，A点电位降到0VT1截止，使＋20V电源通过R3向电容C2充电，B点电位上升，由于IGBT约1s后导通，uCE下降至3V，从而将EXB841引脚6的电位钳制在8V左右，因此，B点和C点电位只能到8V左右。DW1的稳压值为13V。当IGBT正常开通时，DW1不会被击穿，T3不导通。①

开通过程。

49T1截止，使＋20V电源通过R3向电容C2充电，B点电位上②

关断过程。

开通信号取消后，光电耦合器OC1截止，A点电位上升，使T1和T2导通，而T2的导通又使T4截止、T5导通，IGBT的栅极电荷通过T5迅速放电，EXB841引脚3的电位迅速下降至0V，使IGBT可靠关断。50②关断过程。开通信号取消后，光电耦合器OC1截止，A点电T1导通，使C2通过T1放电，将B点和C点电位钳制在0V，DW1仍不导通，后面电路不会动作，IGBT正常关断。②

关断过程。

51T1导通，使C2通过T1放电，将B点和C点电位钳制在0V，③

保护动作过程。

当发生短路，IGBT承受大电流而退饱和时，uCE上升很快，二极管D2截止，B点和C点电位开始由8V上升，当上升到13V时，DW1被击穿，T3导通，C4通过R7和T3放电，E点电位逐步下降，二极管D1导通使D点电位也逐步下降，从而使EXB841引脚3的电位也逐步下降，慢慢关断IGBT。52③保护动作过程。当发生短路，IGBT承受大电流而退饱和时3.2.3HR065IGBT厚膜集成驱动电路

（1）内部结构和工作原理输入脉冲信号经高速光耦合器隔离后，通过传输级即可送到输出级，产生正、负偏压加到IGBT栅极。

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持电路发出动作信号。导通保持电路的作用是实现所谓的“软关断”。软关断的好处是可延长IGBT承受短路的时间，同时能有效地抑制C、E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，故障检测电路才起作用，其余时间不起作用。

533.2.3HR065IGBT厚膜集成驱动电路

（1）HR065的内部电路原理图

具体工作原理如下：光耦合器OC1、晶体管T1、T2、T3及电阻构成了驱动器的基本电路。其中T2、T3为一对互补推挽输出管，T2导通时T3必须截止，驱动器向IGBT栅极输出正电压，反之输出负电压。T1为信号中间推动管。光耦合器OC1起传递输入信号和实现输入、输出隔离的双重作用。

54HR065的内部电路原理图具体工作原理如下：21T4、T5、D1及R4～R8、C1～C3

构成了过电流检测、故障信号输出电路及导通保持电路。当IGBT正常导通时，引脚8和引脚1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，故DW1中无电流通过，T5基极没有正向偏置而处于截止状态，故障输出端5、6之间无电压输出。

55T4、T5、D1及R4～R8、C1～C3构成了过电流当发生过电流时，IGBT的饱和压降随着短路电流的增大而升高，当增大到超过某一设定值时，DW1反向导通，为T5提供基极电流，T5由截止转为导通，故障输出端有电压输出，此时D1导通，强行将T2、T3的基极电流减小，使T2从饱和区退回到放大区，造成输出正向驱动电压下降，以实现软关断。

56当发生过电流时，IGBT的饱和压降随着短路电流的增大而升高，另一方面，T5导通时，产生正向脉冲信号经C2耦合到导通保持电路，由于C3的作用，可使T4保持约30s～45s的导通状态，保证了T1在这段时间内可靠截止，不受输入端信号的影响。如果在这段时间内，过电流故障撤销，则D1截止，正向驱动电压恢复正常，IGBT照常工作。

57另一方面，T5导通时，产生正向脉冲信号经C2耦合到导通保持电此段时间以后，如过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，光耦合器OC1中的晶体管截止，使T1导通，立即在IGBT栅极上形成负偏电压而关断器件，同时T6导通，故障检测电路不起作用。T6起着一个逻辑电路的作用，即只在驱动器输出正向电压时才开放过电流检测电路，其他情况下均使其无效，这样才能可靠地防止“假过电流”。58此段时间以后，如过电流故障仍然存在，在输入封锁信号作用下，光3.2.4M579系列集成驱动电路M57959L/M57962L混合集成驱动电路最高工作频率也为40kHz，采用双电源供电(+15V和-10V)，输出电流峰值分别为±2A(M57959L)和±5A(M57962L)，电路驱动部分与EXB系列相仿，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IGBT软关断，避免关断中过电压。593.2.4M579系列集成驱动电路M57959L/M57M579系列的电路框图

a）框图b）原理图1－接口电路2－检测电路3－定时电路4－栅极减压/封锁电路5－输出电路60M579系列的电路框图a）框图273.2.52SD315A型集成驱动电路1.2SD315A