1、文章編號10042924X (2000 0120076203IGBT 柵極驅(qū)動技術(shù)探討王世杰(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林長春130021摘要:絕緣柵雙極二級管(IGBT 作為一種可控開關(guān), 獲得了廣泛應(yīng)用。IGBT 的柵極驅(qū)動技術(shù)是其應(yīng)用的一個重要方面。在本文中著重討論了IGBT 柵極驅(qū)動及保護(hù)的基本問題, 并介紹了幾個新的應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞:絕緣柵雙極二級管; 柵極; 驅(qū)動; 保護(hù)中圖分類號:TN 313. 6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言由于功率容量增加, 控制方法簡化及成本下降等原因, 功率半導(dǎo)體器件正獲得更廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件, 根據(jù)其控制方式分為三種:1 二極

2、管, 由功率電路控制其通斷。2 晶閘管, 用控制信號使其導(dǎo)通, 但必須使用功率電路使其關(guān)斷。3 可控開關(guān), 由控制信號使其通斷。可控開關(guān)類包括:雙結(jié)晶體管(BJT , 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(M O SFET , 門可關(guān)斷晶閘管(GTO , 絕緣柵雙極二級管(IGB T , M O S 控制晶閘管(M CT , 近年來主要發(fā)展的功率半導(dǎo)體器件是這類器件。IGB T 集M O SFET 和BJT 的優(yōu)點(diǎn)于一身, 即具有輸入阻抗高, 速度快, 熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的特點(diǎn), 又具有通態(tài)電壓低, 耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn), 因而IGB T 在電機(jī)驅(qū)動, 功率變換電路等方面獲得了廣泛應(yīng)用。2IGB

3、 T 柵極控制技術(shù)2. 1柵極電壓的選擇柵極電壓的選擇要考慮柵極電壓的最大極限與集電極電流的使用范圍, 還要考慮柵極電路與器件參數(shù)的分散性. 電壓選為15V 10%較佳。IGB T 柵極要加負(fù)電壓, 可增加?xùn)艠O抗干擾能力,避免IGB T 誤動作。對于小容量變換器中的IGB T 可不加負(fù)偏壓也能正常工作, 中等容量可加反偏壓5-6V , 對于大容量要加到15V 。2. 2幾種典型IGBT 柵極驅(qū)動方式1 變壓器驅(qū)動法此種方式優(yōu)點(diǎn)是有利于驅(qū)動信號的隔離與驅(qū)動功率的傳輸, 但限制了使用頻率, 不利于PWM 信號傳輸。2 直接驅(qū)動法這種方式適用于小容量的不加保護(hù)的IGB T 應(yīng)用場合。可用T TL 加

4、晶體管直接驅(qū)動IGB T , 它要求晶體管有較大的增益和較寬的頻帶。也可采用C M O S 、線性運(yùn)算放大器加射極跟隨器直接驅(qū)動IGB T 。現(xiàn)有M I C 4451等驅(qū)動器可直接用來驅(qū)動IGB T 。3 光耦隔離驅(qū)動此種方式采用光耦傳輸驅(qū)動信號并進(jìn)行放大, 對通斷時間寬度無限制, 工作速度可足夠高, 是目前廣泛應(yīng)用的一種方式。但它對光耦的要求較高, 要求光耦速度快(傳輸延遲時間為S 級 , 絕緣耐壓高于電源電壓, 共模抑制比大。應(yīng)用光耦隔離驅(qū)動方式有如下三種方式:1 光耦直接驅(qū)動IGB T , 無故障檢測及保護(hù)。2 光耦加帶保護(hù)的專用電路來驅(qū)動IGB T 。3 光隔離、保護(hù)及驅(qū)動等均封裝在同

5、一模塊內(nèi), 并且可采用正負(fù)偏壓, 十分便于使用。2. 3IGBT 的保護(hù)IGB T 的保護(hù)有過流、柵極過壓欠壓保護(hù)及過熱保護(hù)等。收稿日期:1999-09-10; 修稿日期:1999-10-11第8卷第1期光學(xué)精密工程Vol . 8, No . 12000年2月O PT I CS AND PR EC IS I ON EN G I N EER I N GFeb. , 20001 負(fù)載短路保護(hù)負(fù)載短路保護(hù)是橋接逆變器中的重要保護(hù)項目。最簡單且常用的保護(hù)方法是檢測IGB T 的非飽和狀態(tài), 它能快速檢測出短路時過電流的電平, 利用斷開柵極信號的方法來實現(xiàn)短路保護(hù)。另外比較常用的過流檢測方法是用霍爾元件

6、或CT 測出發(fā)射極電流, 將反饋信號送控制器。2 欠壓保護(hù) IGB T 柵極需15V 才能達(dá)到額定的C -E 結(jié)導(dǎo)通壓降, 如果柵極電壓低于13V , 在大電流時, 導(dǎo)通壓降將急劇上升。當(dāng)柵極電壓低于10V , IGB T 將工作于線性區(qū)并且很快過熱。所以要有低柵壓保護(hù)電路, 在柵極電壓低于11V 時斷開柵極信號。3 過熱保護(hù)可通過計算IGB T 的熱力學(xué)模型, 來確定散熱器的溫度。采用熱敏電阻或溫度開關(guān)測定散熱器溫度并反饋信號給控制器來控制IGB T 柵極信號。3IGB T 驅(qū)動電路的實現(xiàn)3. 1無保護(hù)光耦直接驅(qū)動圖1所示為無過流保護(hù)的光耦合器直接驅(qū)動IGB T 電路。HCPL -3120為

7、可輸出2A 的IGB T 柵極驅(qū)動光耦(與其相同封裝的3150輸出能力為0. 5A 。 F ig . 1Gate driver w ithou t p ro tecti onHCPL 23120由磷砷化鎵光耦合器和功率輸出電路組成。這個光耦合器非常適合于應(yīng)用于電機(jī)控制逆變器的IGB T 和M O SFET 驅(qū)動。其輸出電路的寬限工作電壓范圍, 使其易于提供門控器件所需的驅(qū)動電壓。HCPL 23120適合于額定容量為1200V 100A 的IGB T 。對于更高容量的IGB T , 可用HCPL 23120驅(qū)動分立器件功率級, 由其驅(qū)動IGB T 柵極。HCPL -3120的主要特征:2. 0A

8、 最小峰值輸出電流。最小共模抑制15kV S (在V C M =1500V 時 。最大低電平電壓0. 5V , 不需柵極負(fù)壓。最大供電電流Icc =5mA 。寬工作電壓范圍, 15-30V 。最大開關(guān)速度:500nS 。3. 2光耦加專用驅(qū)動電路光耦加帶保護(hù)的專用電路驅(qū)動IGB T 見圖2。F ig . 2Gate driver w ith p ro tecti onHCPL 22601為具有高共模抑制的高速光耦,其輸入與T TL 兼容。M C 33153是專門設(shè)計用作IGB T 柵極驅(qū)動的電路, 同時它也非常適于驅(qū)動M O SFET 和雙極晶體管。其內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電路, 包括:非飽和、過流、欠

9、壓保護(hù)。M C 33153有故障輸出信號(端7 , 可直接與光耦合器相接。準(zhǔn)確全部地輸出所有的故障信號, 對系統(tǒng)的安全運(yùn)行非常重要。前面已述及, IGB T 需要柵極欠壓保護(hù)。M C 33153內(nèi)設(shè)柵極欠壓保護(hù)電路, 從12V 開始啟動工作。欠壓保護(hù)電路有1V 左右的滯后, 在電壓低于11V 后將關(guān)閉輸出。最好的非飽和檢測辦法是用一高壓鉗位二極管和一比較器。M C 33153內(nèi)部有一非飽和比較器, 它可檢測集電極電壓并在器件非飽和時產(chǎn)生指示輸出。D 1是外部高壓鉗位二極管。當(dāng)IGB T 是導(dǎo)通且飽和時, D 1將非飽和檢測端(端8 拉低。當(dāng)IGB T 脫離飽和區(qū)或關(guān)斷時, 該電流源將拉高端8,

10、 并觸發(fā)內(nèi)部比較器。當(dāng)柵極輸入為高時, 集電極電壓大于最大允許集電極飽和電壓時, 表示故障存在, 非飽和比較器輸出與柵極輸入信號相“與”后反饋給短路和過流鎖存器, 過流鎖存器將由于故障的存在而在本周期剩余時間內(nèi)斷開IGB T 柵極信號。3. 3集成模塊驅(qū)動目前較普遍應(yīng)用的是EXB 系列。圖3中給出的是EXB 840。該模塊將光耦合器、過流保護(hù)和輸出功率級集成一體。它能驅(qū)動75A , 1200V 的IGB T 。工作電源可用直流20V , 內(nèi)部用穩(wěn)壓管產(chǎn)生25V 電壓, 為外用提供負(fù)偏壓。EXB 840可工作于40千赫以下的開關(guān)頻率。 F ig . 3Gate driver in one mod

11、u le4結(jié)束語在討論了IGB T 柵極驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上, 提出了幾種帶光隔離驅(qū)動IGB T 的實用電路。由于變壓器驅(qū)動及直接驅(qū)動方式應(yīng)用不多且較簡單, 故未多作介紹。對于光隔離驅(qū)動方式, 介紹了三種經(jīng)實際應(yīng)用而又較為典型的電路。IGB T 的驅(qū)動電路很多, 難以全部敘述, 而且隨著技術(shù)進(jìn)步, 還在不斷推陳出新。愿此文能起到拋磚引玉作用, 給相關(guān)科技工作者帶來幫助。參考文獻(xiàn):1N ED M OHAN , UND ELAND TOR E M , ROBB I N S W I LL I AM P . POW ER EL ECTRON I CS M . N ew Yo rk :John W iley

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13、ics ,Ch inese A cad e m y of S ciences , Chang chun 130021, Ch ina Abstract :In su lated Gate B i po lar T ran sisto r (IGB T as con tro llab le s w itch , has been app lied w idely . T echn ique of gate driving is an i m po rtan t asp ect in IGB T u sage . In th is p ap er , techn ique of gatedriving and p ro tecti on of IGB T are described . T h ree