學習資料收集于網絡，僅供參考 IGBT驅動原理目 錄一、 簡介 二、 工作原理三、 技術現狀 四、 測試方法五、 選取方法簡介：絕緣柵雙極晶體管 IGBT 是第三代電力電子器件，安全工作，它集功率晶體管 GTR 和功率場效應管MOSFET 的優點于一身，具有易于驅動、峰值電流容量大、自關斷、開關頻率高 (10-40 kHz) 的特點，是目前發展最為迅速的新一代電力電子器件。廣泛應用于小體積、高效率的變頻電源、電機調速、 UPS 及逆變焊機當中。 IGBT 的驅動和保護是其應用中的關鍵技術。1 IGBT 門極驅動要求1.1 柵極驅動電壓因 IGBT 柵極 - 發射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅動技術進行驅動，但 IGBT 的輸入電容較 MOSFET 大，所以 IGBT 的驅動偏壓應比 MOSFET 驅動所需偏壓強。圖 1 是一個典型的例子。在 +20 情況下，實測 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 開通電壓閥值為 5 6 V ，在實際使用時，為獲得最小導通壓降，應選取 Ugc (1.5 3)Uge(th) ，當 Uge 增加時，導通時集射電壓 Uce 將減小，開通損耗隨之減小，但在負載短路過程中 Uge 增加，集電極電流 Ic 也將隨之增加，使得 IGBT 能承受短路損壞的脈寬變窄，因此 Ugc 的選擇不應太大，這足以使 IGBT 完全飽和，同時也限制了短路電流及其所帶來的應力 ( 在具有短路工作過程的設備中，如在電機中使用 IGBT 時， +Uge 在滿足要求的情況下盡量選取最小值，以提高其耐短路能力 ) 。1.2 對電源的要求對于全橋或半橋電路來說，上下管的驅動電源要相互隔離，由于 IGBT 是電壓控制器件，所需要的驅動功率很小，主要是對其內部幾百至幾千皮法的輸入電容的充放電，要求能提供較大的瞬時電流，要使 IGBT 迅速關斷，應盡量減小電源的內阻，并且為防止 IGBT 關斷時產生的 du/dt 誤使 IGBT 導通，應加上一個 -5 V 的關柵電壓，以確保其完全可靠的關斷 ( 過大的反向電壓會造成 IGBT 柵射反向擊穿，一般為 -2 10 V 之間 ) 。1.3 對驅動波形的要求從減小損耗角度講，門極驅動電壓脈沖的上升沿和下降沿要盡量陡峭，前沿很陡的門極電壓使 IGBT 快速開通，達到飽和的時間很短，因此可以降低開通損耗，同理，在 IGBT 關斷時，陡峭的下降沿可以縮短關斷時間，從而減小了關斷損耗，發熱量降低。但在實際使用中，過快的開通和關斷在大電感負載情況下反而是不利的。因為在這種情況下， IGBT 過快的開通與關斷將在電路中產生頻率很高、幅值很大、脈寬很窄的尖峰電壓 Ldi/dt ，并且這種尖峰很難被吸收掉。此電壓有可能會造成 IGBT 或其他元器件被過壓擊穿而損壞。所以在選擇驅動波形的上升和下降速度時，應根據電路中元件的耐壓能力及 du/dt 吸收電路性能綜合考慮。1.4 對驅動功率的要求由于 IGBT 的開關過程需要消耗一定的電源功率，最小峰值電流可由下式求出：I GP = U ge /R G +R g ；式中 Uge=+Uge+|Uge| ； RG 是 IGBT 內部電阻； Rg 是柵極電阻。驅動電源的平均功率為：P AV =C ge Uge 2 f,式中 f 為開關頻率； Cge 為柵極電容。1.5 柵極電阻為改變控制脈沖的前后沿陡度和防止震蕩，減小 IGBT 集電極的電壓尖峰，應在 IGBT 柵極串上合適的電阻 Rg 。當 Rg 增大時， IGBT 導通時間延長，損耗發熱加??； Rg 減小時， di/dt 增高，可能產生誤導通，使 IGBT 損壞。應根據 IGBT 的電流容量和電壓額定值以及開關頻率來選取 Rg 的數值。通常在幾歐至幾十歐之間 ( 在具體應用中，還應根據實際情況予以適當調整 ) 。另外為防止門極開路或門極損壞時主電路加電損壞 IGBT ，建議在柵射間加入一電阻 Rge ，阻值為 10 k 左右。1.6 柵極布線要求合理的柵極布線對防止潛在震蕩，減小噪聲干擾，保護 IGBT 正常工作有很大幫助。a 布線時須將驅動器的輸出級和 lGBT 之間的寄生電感減至最低 ( 把驅動回路包圍的面積減到最小 ) ；b 正確放置柵極驅動板或屏蔽驅動電路，防止功率電路和控制電路之間的耦合；c 應使用輔助發射極端子連接驅動電路；d 驅動電路輸出不能和 IGBT 柵極直接相連時，應使用雙絞線連接 (2 轉/ cm) ；e 柵極保護，箝位元件要盡量靠近柵射極。1.7 隔離問題由于功率 IGBT 在電力電子設備中多用于高壓場合，所以驅動電路必須與整個控制電路在電位上完全隔離，主要的途徑及其優缺點如表 1 所示。表1 驅動電路與控制電路隔離的途徑及優缺點利用光電耦合器進行隔離優點：體積小、結構簡單、應用方便、輸出脈寬不受限制，適用于 PWM 控制器缺點1 、共模干擾抑制不理想2 、響應速度慢，在高頻狀態下應用受限制3 、需要相互隔離的輔助電源利用脈沖變壓器進行隔離優點：響應速度快，共模干擾抑制效果好缺點：1 、信號傳送的最大脈沖寬度受磁芯飽和特性的限制，通常不大于 50 %，最小脈寬受磁化電流限制2 、受漏感及集膚影響，加工工藝復雜2 典型的門極驅動電路介紹2.1 脈沖變壓器驅動電路脈沖變壓器驅動電路如圖 2 所示， V1 V4 組成脈沖變壓器一次側驅動電路，通過控制 V1 、 V4 和 V2 、 V3 的輪流導通，將驅動脈沖加至變壓器的一次側，二次側通過電阻 R1 與 IGBT5 柵極相連， R1 、 R2 防止 IGBT5 柵極開路并提供充放電回路， R1 上并聯的二極管為加速二極管，用以提高 IGBT5 的開關速度，穩壓二極管 VS1 、 VS2 的作用是限制加在 IGBT5g-e 端的電壓，避免過高的柵射電壓擊穿柵極。柵射電壓一般不應超過 20 V 。圖 2 脈沖變壓器驅動電路2.2光耦隔離驅動電路光耦隔離驅動電路如圖 3 所示。由于 IGBT 是高速器件，所選用的光耦必須是小延時的高速型光耦，由 PWM 控制器輸出的方波信號加在三極管 V1 的基極， V1 驅動光耦將脈沖傳遞至整形放大電路 IC1 ，經 IC1 放大后驅動由 V2 、 V3 組成的對管 (V2 、 V3 應選擇 100 的開關管 ) 。對管的輸出經電阻 R1 驅動 IGBT4 ， R3 為柵射結保護電阻， R2 與穩壓管 VS1 構成負偏壓產生電路， VS1 通常選用 1 W/5.1 V 的穩壓管。此電路的特點是只用 1 組供電就能輸出正負驅動脈沖，使電路比較簡潔。圖 3 光耦隔離驅動電路2.3 驅動模塊構成的驅動電路應用成品驅動模塊電路來驅動 IGBT ，可以大大提高設備的可靠性，目前市場上可以買到的驅動模塊主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。這類模塊均具備過流軟關斷、高速光耦隔離、欠壓鎖定、故障信號輸出功能。由于這類模塊具有保護功能完善、免調試、可靠性高的優點，所以應用這類模塊驅動 IGBT 可以縮短產品開發周期，提高產品可靠性。HCPL316J典型電路如圖 4 所示。圖 4 由驅動模塊構成的驅動電路HCPL316J 可以驅動 150 A/1200 V 的 IGBT ，光耦隔離， COMS/TTL 電平兼容，過流軟關斷，最大開關速度 500 ns ，工作電壓 15 30 V ，欠壓保護。輸出部分為三重復合達林頓管，集電極開路輸出。采用標準 SOL-16 表面貼裝。HCPL316J 輸入、輸出部分各自排列在集成電路的兩邊，由 PWM 電路產生的控制信號加在 316j 的第 1 腳，輸入部分需要 1 個 5 V 電源， RESET 腳低電平有效，故障信號輸出由第 6 腳送至 PWM 的關閉端，在發生過流情況時及時關閉 PWM 輸出。輸出部分采用 +15 V 和 -5 V 雙電源供電，用于產生正負脈沖輸出， 14 腳為過流檢測端，通過二極管 VDDESAT 檢測 IGBT 集電極電壓，在 IGBT 導通時，如果集電極電壓超過 7 V ，則認為是發生了過流現象， HCPL316J 慢速關斷 IGBT ，同時由第 6 腳送出過流信號。3、 結語通過對 IGBT 門極驅動特點的分析及典型應用電路的介紹，使大家對 IGBT 的應用有一定的了解?？勺鳛樵O計 IGBT 驅動電路的參考。工作原理：驅動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導致 IGBT 和驅動器損壞。以下總結了一些關于IGBT驅動器輸出性能的計算方法以供選型時參考。igbt驅動電路是驅動igbt模塊以能讓其正常工作，并同時對其進行保護的電路。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在今天的電力電子領域中已經得到廣泛的應用，在實際使用中除IGBT自身外，IGBT 驅動器的作用對整個換流系統來說同樣至關重要。驅動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統的可靠性。因此，在IGBT數據手冊中給出的電容Cies值在實際應用中僅僅只能作為一個參考值使用。IGBT 的開關特性主要取決于IGBT的門極電荷及內部和外部的電阻現有技術現狀：開關電源中大功率器件驅動電路的設計一向是電源領域的關鍵技術之一。普通大功率三極管和絕緣柵功率器件(包括VMOS場效應管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等),由于器件結構的不同,具體的驅動要求和技術也大不相同。前者屬于電流控制器件,要求合適的電流波形來驅動;后者屬于電場控制器件,要求一定的電壓來驅動。本文只介紹后者的情況。VMOS場效應管(以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件)的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結構，直流電不能通過,因而低頻的靜態驅動功率接近于零。但是柵極和源極之間構成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關斷時需要一定的動態驅動功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之內,對于大功率的絕緣柵功率器件,由于柵極電容Cgs較大，在1-100nF,甚至更大,因而需要較大的動態驅動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg,柵極驅動功率是不可忽視的。為可靠驅動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅動信號與功率器件不需要隔離時，驅動電路的設計是比較簡單的，目前也有了一些優秀的驅動集成電路，如IR2110。當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，一般有兩種途徑：采用光電耦合器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。光電耦合器的優點是體積小巧,缺點是：A.反應較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。用脈沖變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅動。無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅動絕緣柵器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅動電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大，因而柵源間的波形Vgs將有明顯變形，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應脈沖變壓器也應取較大體積。有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅動絕緣柵功率器件，當然驅動波形好，但是需要另外提供隔離的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當，可能會引進寄生的干擾。自給電源方法的已有技術是對PWM驅動信號進行高頻(1MHz以上)調制，該信號加在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調制信號則需經過解調取得，顯然，這種方法并不簡單, 價格當然也較高。調制的優點是可以傳遞的占空比不受限制。分時式自給電源技術，是國內的發明專利技術，其特點是變壓器在輸入PWM信號的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術的缺點是占空比一般只能達到595%。市場驅動器簡介：當前市場上的成品驅動器,按驅動信號與被驅動的絕緣柵器件的電氣關系來分,可分為直接驅動和隔離驅動兩種,其中隔離驅動的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。不隔離的直接驅動器:在Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開關管的源極位于輸入電源的下軌，PWM IC輸出的驅動信號一般不必與開關管隔離，可以直接驅動。如果需要較大的驅動能力,可以加接一級放大器或是串上一個成品驅動器。直接驅動的成品驅動器一般都采用薄膜工藝制成IC電路，調節電阻和較大的電容由外引腳接入。目前的成品驅動器種類不少，如TI公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，Onsemi公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR公司的IR21XX系列，等等，種類繁多。 使用光電耦合器的隔離驅動器:隔離驅動產品絕大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵器件，采用厚膜工藝制成HIC電路，部分阻容元件也由引腳接入。目前市售的光電耦合型驅動器產品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI公司的M579XX系列等M579XX系列、國內的TX-KA系列等。此類產品，由于光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在50KHz以下(TX-KA101可達80K)。它們的優點是，大部分具有過流保護功能，其過電流信號是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點是需要一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。由于成本問題，該類產品價格稍高，因此只適用于在大功率電源中驅動IGBT模塊，在中小功率領域難以推廣使用。變壓器隔離、一路電源輸入，自帶DC/DC輔助電源的驅動器:目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22等，使用兩個脈沖變壓器傳遞半橋驅動信號，需要一路電源輸入，自帶一個DC/DC電源提供驅動所需的兩個輔助電源輸出的驅動信號質量不錯，驅動能力也很強，但由于結構復雜，因而體積較大，價格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅動板的信號傳遞采用的是調制技術。變壓器隔離、調制式自給電源驅動器:調制式自給電源驅動器，采用變壓器進行電氣隔離，通過載頻傳遞驅動所需要的能量，通過調制信號傳遞PWM信息，因此可以通過0100%占空比的PWM信號。目前的許多驅動板產品都采用這種技術，如西門康的SKHI27等。單片式的調制驅動器，目前國外還未見有產品出售。但有一種2片組合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對，其中3724與驅動源相連，3725與被驅動的絕緣柵器件相連，3724與3725之間由用戶接入一個脈沖變壓器，在UC3724中將PWM信號調制到約1MHz的載波上，送到隔離脈沖變壓器的初級，次級輸出信號在UC3725中通過直接整流得到自給電源，通過解調取得原PWM信號。國內的單片式調制驅動器，有TX-KE系列，特點是除無需用戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點，但是價格較高。變壓器隔離、分時式自給電源驅動器:分時式自給電源驅動器產品的優點是：價格便宜，大中小功率的電源都可應用；驅動器自身不需要單獨的供電電源，簡化了電路；輸出驅動脈沖的延遲很少，上升和下降沿也相當陡峭；工作頻率較高；并且可在占空比5-95%的范圍內工作。分時式自給電源驅動器的缺點是：當工作頻率較低時變壓器的體積較大，厚膜化困難，由于自給電源提供的能量有限、難以驅動300A/1200V以上的IGBT。測試方法：輸出波形帶保護功能的驅動器和驅動板，用戶如要測試正常的靜態(不加主電情況下)輸出波形，需要注意以下幾點：1、如果功率管IGBT或MOSFET已經連接在電路中了，則加上驅動電源和PWM輸入信號，就可以在輸出端用示波器看到相應的輸出信號。2、如果功率管沒有接，只是在做一個輸出測試，那么必須將應接功率管集電極和發射極(或漏極和源極)的兩點予以短路才行。因為如果集電極或漏極懸空，那么驅動器或驅動板將認為功率管處于短路狀態而啟動內部的保護機制，這時看到的將是驅動器輸出的保護信號波形，無論是波形形狀還是周期都與輸入的PWM信號完全不同。短路保護IGBT在應用中要解決的主要問題就是如何在過流、短路和過壓的情況下對IGBT實行比較完善的保護。過流故障一般需要稍長的時間才使電源過熱，因此對它的保護都由主控制板來解決。過壓一般發生在IGBT關斷時，較大的di/dt在寄生電感上產生了較高的電壓，這需要用緩沖電路來鉗制，或者適當降低關斷的速率。短路故障發生后瞬時就會產生極大的電流，很快就會損壞IGBT，主控制板的過流保護根本來不及，必須由驅動電路或驅動器立刻加以保護。因此驅動器的短路保護功能設計的是否完善，對電源的安全運行至關重要。拿到一個驅動電路，使用前先測試一下它的短路保護功能是否完善，是很有必要的。本文介紹兩種測試方法。1、第一種測試方法圖中PWM信號送到驅動器的信號輸入端，故障后再啟動電容Creset=10nF，Dhv是高反壓快恢復管，限流電阻Rlimit=10100R，電容C=10470uF。示波器可在驅動器的輸入和輸出端監測。如果不接Creset，則驅動器輸出端輸出的是約1ms的脈沖，也就是IGBT每1ms短路一次。考慮到有的IGBT在這種情況下時間長了仍有可能過熱燒毀，接入10nF的Creset后，則為約12ms短路一次，保證了IGBT的安全。過流動作閾值設置電阻Rn的選取，請根據所試驅動器說明中的關于Rn的說明和所試驗IGBT的正向伏安特性曲線選取合適的阻值。在單管電路的開關電源中，接入適當的Creset后，可以省去通常的短路信號反饋光耦。2、第二種測試方法與第一種方法類似，只是不讓IGBT始終保持短路，用手工來短路A、B兩點。這種短路試驗比第一種更嚴酷，對驅動器的要求也更高，因為手工短路，不可能一下接實，實際是一連串的通斷過程。注意：實驗時一定注意人身安全，最好在工頻輸入處加一個隔離變壓器。典型IGBT驅動芯片的測試電路原理圖驅動片位置焊一個 40 線的鎖緊插座，便于使用。輸入端接矩形波信號發生器，頻率可取 50KHz 。Ri 根據信號發生器的幅值決定，以保證輸入電流 10mA 。插卸驅動片時要先切斷開關 K1 ，不能帶電插卸。T1 和 T2 處接雙蹤示波器的 2 個探頭。測試正常驅動波形時，示波器同步于 T1 。按下 K2 測試保護波形，示波器應同步于 T2 。選取方法：一、柵極電阻Rg的作用1、消除柵極振蕩絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射（或柵源）極之間是容性結構，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅動器驅動脈沖的激勵下要產生很強的振蕩，因此必須串聯一個電阻加以迅速衰減。2、轉移驅動器的功率損耗電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅動功率就將絕大部分消耗在驅動器內部的輸出管上，使其溫度上升很多。3、調節功率開關器件的通斷速度柵極電阻小，開關器件通斷快，開關損耗?。环粗畡t慢，同時開關損耗大。但驅動速度過快將使開關器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產生較大的干擾，嚴重的將使整個裝置無法工作，因此必須統籌兼顧。二、柵極電阻的選取1、柵極電阻阻值的確定各種不同的考慮下，柵極電阻