基于一种IGBT驱动电路的设计方案 - 全文

　　  IGBT的概念是20世纪80年代初期提出的。IGBT具有复杂的集成结构，它的工作频率可以远高于双极晶体管。IGBT已经成为功率半导体器件的主流。在10～100 kHz的中高压大电流的范围内得到广泛应用。IGBT进一步简化了功率器件的驱动电路和减小驱动功率。

　　IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。

　　当栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时从N+区注入到N-区的空穴(少子)对N-区进行电导调制，减小Ⅳ区的电阻Rdr ，使阻断电压高的IGBT也具有低的通态压降。当栅极上施以负电压时。MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被关断。

　　在IGBT导通之后。若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使集电极电流有所下降，但由于N-区中注入了大量的电子和空穴对，因而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。

　　2 驱动电路的设计

　　2.1 IGBT器件型号选择

　　1)IGBT承受的正反向峰值电压

　　考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为1 200 V。

　　2)IGBT导通时承受的峰值电流。

　　额定电流按380 V供电电压、额定功率30 kVA容量算。选用的IGBT型号为SEMIKRON公司的SKM400GA128D。

　　2.2 IGBT驱动电路的设计要求

　　对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻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。门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅极正电压 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，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE/dt 电流引起的误触发等问题(见表1)。

　　表1 IGBT门极驱动条件与器件特性的关系

　　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，因而驱动电路性能的好坏将直接影响IGBT能否正常工作。为使IGBT能可靠工作。IGBT对其驱动电路提出了以下要求。

1)向IGBT提供适当的正向栅压。并且在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，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。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。IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE越高，VDS傩就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V为宜。

　　2)能向IGBT提供足够的反向栅压。在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使调压电路处于短路直通状态。因此，最好给处于截止状态的IGBT加一反向栅压f幅值一般为5～15 V)，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。

　　3)具有栅极电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。

　　4)由于IGBT多用于高压场合。要求有足够的输人、输出电隔离能力。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。

　　5)IGBT的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。应具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。

　　2.3 驱动电路的设计

　　隔离驱动产品大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅，采用厚膜或PCB工艺支撑，部分阻容元件由引脚接入。这种产品主要用于IGBT的驱动，因IGBT具有电流拖尾效应，所以光耦驱动器无一例外都是负压关断。

　　M57962L是日本三菱电气公司为驱动IGBT设计的厚膜集成电路，实质是隔离型放大器，采用光电耦合方法实现输入与输出的电气隔离，隔离电压高达2 500 V，并配置了短路/过载保护电路。

　　M57962L可分别驱动600 V/200 A和600 V/400 A级IGBT模块，具有很高的性价比。本次课题设计中选用的IGBT最大电流400 A考虑其他隔离要求及保护措施，选用了M57962L设计了一种IGBT驱动电路。

　　图1为M57962L内部结构框图，采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻(约185 Ω)，可将5 V的电压直接加到输入侧。它采用双电源驱动结构，内部集成有2 500 V高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路、过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口，驱动电信号延迟最大为1.5us。

　　图1 M57962L的结构框图

　　当单独用M57962L来驱动IGBT时。有三点是应该考虑的。首先。驱动器的最大电流变化率应设置在最小的RG电阻的限制范围内，因为对许多IGBT来讲，使用的RG 偏大时，会增大td(on )(导通延迟时间)， t d(off) (截止延迟时间)，tr(上升时间)和开关损耗，在高频应用(超过5 kHz)时，这种损耗应尽量避免。另外。驱动器本身的损耗也必须考虑。

　　如果驱动器本身损耗过大，会引起驱动器过热，致使其损坏。最后，当M57962L被用在驱动大容量的IGBT时，它的慢关断将会增大损耗。引起这种现象的原因是通过IGBT的Gres(反向传输电容)流到M57962L栅极的电流不能被驱动器吸收。它的阻抗不是足够低，这种慢关断时间将变得更慢和要求更大的缓冲电容器应用M57962L设计的驱动电路见图2。

　　图2 IGBT驱动电路

　　电源去耦电容C2 ～C7采用铝电解电容器，容量为100 uF/50 V，R1阻值取1 kΩ，R2阻值取1.5kΩ，R3取5.1 kΩ，电源采用正负l5 V电源模块分别接到M57962L的4脚与6脚，逻辑控制信号IN经l3脚输入驱动器M57962L。双向稳压管Z1选择为9.1 V，Z2为18V，Z3为30 V，防止IGBT的栅极、发射极击穿而损坏驱动电路，二极管采用快恢复的FR107管。

　　2.4 栅极驱动电阻的选择

　　使用M57962L，必须选择合适的驱动电阻。为了改善栅极控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减小集电极电流的上升率(di/dt)，需要在栅极回路中串联电阻RG，若栅极电阻过大，则IGBT的开通与关断能耗均增加;若栅极电阻过小则使dic/dt 过大可能引发IGBT的误导通，同时R。上的能耗也有所增加。所以选择驱动电阻阻值时，要综合考虑这两方面的因素，并防止输出电流，IOP超过极限值5 A.RG 的选取可以依据公式：

　　对大功率的IGBT模块来说，RGMIN数值一般按下式计算：

　　这是因为对于大功率的IGBT模块，为了平衡模块内部栅极驱动和防止内部的振荡，模块内部的各个开关器件都会包含有栅极电阻器R G(INT) ，R G(INT) 数值视模块种类不同而不同，一般在0.75—3Ω 之间，而f的数值则依靠栅极驱动电路的寄生电感和驱动器的开关速度来决定，所以获得 R GMIN 的最佳办法就是在改变RG时监测IOP，当IOP达到最大值时，RG达到极限值R GMIN 。

　　但在使用中应注意，RG不能按前面的公式计算，而要略大于R GMIN 。如RG过小会造成IGBT栅极注入电流过大，使IGBT饱和，无法关断，即在驱动脉冲过去的一段时间内IGBT仍然导通。

　　本设计中要驱动IGBT为大电流的功率器件，所以在选择RG时综合上述的要求，选取RG为3.5Ω 。

　　3 结束语

　　本设计电路已经成功应用在助航灯恒流调光器电源中，取得较好的实用效果。