igbt驱动电路原理图

GBT驱动电路的常见形式

（1）分立元件

由分立元件构成的插接式IGBT驱动电路，在20世纪80年代由IGBT构成的设备上被广泛使用，分立元件的驱动电路的设计和应用主要是受当时电子元器件技术水平和生产工艺的制约。但随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现，这类分立元件插接式驱动电路，因结构复杂、集成化程度低、故障率高已逐渐被淘汰。

（2）光耦合驱动电路

由光耦合器构成的驱动电路具有线路简单、可靠性高、开关性能好等特点，在IGBT驱动电路设计中被广泛采用。由于光耦合器的型号很多，所以选用的余地也很大。用于IGBT驱动电路中的光耦合器，选用较多的主要有东芝公司的’TLP系列、夏普公司的PC系列、惠普公司的HCPL系列等。

以东芝TJP系列光耦合器为例，驱动IGBT模块的光耦合器主要采用的是TLP250，TLP251两个型号。对于小电流（15A左右）的IGBT一般采用TLP251。外围再甫佐以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路。而对于中等电流（50A左右）的IGBT一般采用TLP250型号的光耦合器。而对于更大电流的IGBT，在设计驱动电路时一般采取在光耦合器驱动后面再增加一级放大电路，达到安全驱动IGBT模块的目的。光耦合器的优点是体积小巧，缺点是反应较慢，因而具有较大的延迟时间（高速型光耦合器一般也大于500ns）；光耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。

（3）厚膜驱动电路

厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路，它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将驱动电路的各元件集成在一块陶瓷，基片上，使之成为一个整体部件。使用厚膜驱动电路给设讦布线带来了很大的方便，可提高整机的可靠性和批量生产的一致性，同时也加强了技术的保密性。现在的厚膜驱动电路集成了很多保护电路和检测电路。

（4）专用集成驱动电路

目前已开发和应用的专用的集成驱动电路，主要有IR公司的IR2111、IR2112、IR2113等，其他还有富士公司的EXB系列厚膜驱动电路。

此外，现在的一些欧美厂商在IGBT驱动电路设计上采用了将高频隔离变压器加入到驱动电路中（如丹佛斯VLT系列变频电源）。通过高频变压器对驱动电路电源及信号的隔离，增强了驱动电路的可靠性，同时也有效地防止了主电路出现故障时对控制电路的损坏。在实际的应用中这种驱动电路故障率很低，大功率IGBT也极少出现问题。用脉冲变压器隔离驱动IGBT有3种方法：

1）无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动lGBT器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于IGBT器件的栅极—发射极电容CGs一般较大，因而栅极—发射极间的波形VGE将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，柏蘆睬-冲变压器也有较大体积。

2）有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动IGBT器件，虽然驱动波形好，但是需要另外提供隔漓的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生干扰。

3）自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频（几个MHz以上）调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法复杂，价格较高。

三种IGBT驱动电路

1、驱动电路EXB841/840

EXB841 工作原理如图1，当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被 钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V，所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V，二极管VD截止，不影响V4和V5正常工作。

当 14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V，是 IGBT栅一 射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6“悬空”。C2的放电使得B点电位为0V，则V S1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断。

如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低 ，完成慢关断，实现对IGBT的保护。由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE 有关，还和二极管VD2的导通电压Vd有关。

典型接线方法如图2，使用时注意如下几点：

a、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长（一般应该小于1m），并且应该采用双绞线接法，防止干扰。

b、由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。但是栅极电阻RG不能太大也不能太小，如果 RG增大，则开通关断时间延长，使得开通能耗增加;相反，如果RG太小，则使得di/dt增加，容易产生误导通。

c、图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，并不是电源的供电滤波电容，一般取值为47 F。

d、6脚过电流保护取样信号连接端，通过快恢复二极管接IGBT集电极。

e、14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15端的输入电流一般应该小于20mA，故在15脚前加限流电阻。

f、为了保证可靠的关断与导通，在栅射极加稳压二极管。

2、M57959L/M57962L厚膜驱动电路

M57959L/M57962L厚膜驱动电路采用双电源（+15V，- 10V）供电，输出负偏压为-10V，输入输出电平与TTL电平兼容，配有短 路/过载保护和 封闭性短路保护功能，同时具有延时保护特性。其分别适合于驱动1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其 以下的 IGBT.M57959L/M57962L在驱动中小功率的IGBT时，驱动效果和各项性能表现优良，但当其工作在高频下时，其脉冲前后沿变的较差，即信 号的最大传输宽度受到限制。且厚膜内部采用印刷电路板设计，散热不是很好，容易因过热造成内部器件的烧毁。

日本三菱公司的M57959L集成IGBT专用驱动芯片它可以作为600V/200A或者1200V/100A的IGBT驱动。其最高频率也达40KHz，采用双电源 供电（+15V和-15V）输出电流峰值为±2A，M57959L有以下特点：

（1） 采用光耦实现电器隔离，光耦是快速型的，适合20KHz左右的高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻，可将5V电压直接加到输入 侧。

（2） 如果采用双电源驱动技术，输出负栅压比较高，电源电压的极限值为+18V/-15V，一般取+15V/-10V。

（3） 信号传输延迟时间短，低电平-高电平的传输延时以及高电平-低电平的传输延时时间都在1.5μs以下。

（4） 具有过流保护功能。M57962L通过检测IGBT的饱和压降来判断IGBT是否过流，一旦过流，M57962L就会将对IGBT实施软关断，并输出过 流故障信号。

（5） M57959的内部结构如图所示，这一电路的驱动部分与EXB系列相仿，但是过流保护方面有所不同。过流检测仍采用电压采样，电路特 点是采用栅压缓降，实现IGBT软关断。

避免了关断中过电压和大电流冲击，另外，在关断过程中，输入控制信号的状态失去作用，既保护关断是在封闭状态中完成的。当保护开始时，立即送出故障信号，目的是切断控制信号，包括电路中其它有源器件。

3、SD315A集成驱动模块

集成驱动模块采用+15V单电源供电，内部集成有过流保护电路，其最大的特点是具 有安全性、智能性与易用性。2SD315A能输出很大的峰 值电流（最大瞬时输出电流可达±15A），具有很强的驱动能力和很高的隔离电压能力（4000V）。2SD315A具有两个驱动输出通道，适合于驱 动等级为1200V/1700V极其以上的两个单管或一个半桥式的双单元大功率IGBT模块。其中在作为半桥驱动器使用的时候，可以很方便地 设置死区时间。

2SD315A内部主要有三大功能模块构成，分别是LDI（Logic To Driver Interface，逻辑驱动转换接口）、IGD（Intelligent Gate Driver，智能门极驱动）和输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器。当外部输入PWM信号后，由LDI进行编码处理，为保证信号不受外界条件的 干扰，处理过的信号在进入IGD前需用高频隔离变压器进行电气隔离。从隔离变压器另一侧 接收到的信号首先在IGD单元进行解码，并把解码后的PWM信号进行放大（±15V/±15A）以驱动外接大功率IGBT。当智能门极驱动单元IGD内的 过流和短路保护电路检测到IGBT发生过流和短路故障时，由封锁时间逻辑电路和状态确认电路产生相应的响应时间和封锁时间，并把此时的状态信号进行编码送 到逻辑控制单元LDI。LDI单元对传送来的IGBT工作状态信号进行解码处理，使之在控制回路中得以处理。为防止2SD315A的两路输出驱动信号相互 干扰，由DC/DC转换器提供彼此隔离的电源供电。

分立元器件构成的IGBT驱动电路

通常设计的驱动电路多为采用脉冲变压器耦合，其优点是结构简单，适用于中小功率变换设备中的IGBT。缺点是不适用于大型功率变换设备中的大功率IGBT器件，脉冲变压器耦合驱动电路存在波形失真、容易振荡，尤其是脉冲变压器耦合不良、漏感偏大时更为严重，抗干扰与抑制误触能力低。并因其是一种无源驱动器而不适应高频大功率IGBT器件。

图1a所示的驱动电路适合于驱动低频小功率IGBT，当控制信号Vi为高电平时，Vl导通，输出Vo对应控制的开关管（IGBT）导通；当控制信号Vi为低电平时，V2导通，输出Vo对应控制的开关管（IGBT）被关断。

图1b所示的驱动电路是采用场效应管组成推挽电路，其工作原理同图1a，这种电路高频峰值驱动电流可达10A以上，适用于大功率IGBT器件。

图2所示的驱动保护二合一电路适用于驱动低频小功率IGBT，如果将双极型NPN与PNP三极管换成N沟道与P沟道大功率场管后就可构成高频大电流驱动器。

图2 驱动保护二合一电路

在图2所示的驱动保护二合一电路中，不采用光耦合器作信号隔离而用磁环变压器耦合方波信号，因光耦合器的速度不够快，并存在光耦合器的上升下降波沿延时，采用变压器传输可获得陡直上升下降波沿，几乎没有传输延时。适用于驱动高频大功率的IGBT器件。本电路具有驱动速度快，过流保护动作快，是比较理想的驱动保护二合一实用IGBT驱动电路。

在图2所示驱动保护二合一电路基础上增加软关断技术的驱动电路如图4所示。

图5所示驱动电路为采用光耦合器等分立元器件构成的IGBT驱动电路。当输入控制信号时，光耦合器VLC导通，晶体管V2截止，V3导通输出+15V驱动电压。当输入控制信号为零时，VLC截止，V2、Ⅵ导通，输出-10V电压。+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IGBT栅极和发射极的引线应采用双绞线，长度最好不超过0.5m。在IGBT驱动电路设计时应注意以下几点：

1） IGBT栅极耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输出端应设有栅极过电压保护电路，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或电阻。并联稳压二极管的缺陷是增加等效输人电容Cin，从而影响开关速度，并联电阻的缺陷是减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根需要取舍。

2） 尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容Cin，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。假定导通驱动时，在上升时间tr内线性地对MOSFET输入电容Cin充电，则驱动电流为IGE=Cin×VGS/tr，其中可取tr=2.2RCin，R为输入回路电阻。

3） 为可靠关闭IGBT，防止锁定效应，要给栅极加一负偏压，因此应采用双电源为驱动路供电。

专用的混合集成IGBT驱动电路

在分立式IGBT驱动电路中，分立元件多、结构复杂、保护电路复杂、可靠性和性能都比较差，因此在实际应用中大多数采用集成驱动电路。常用的有三菱公司的M597系列（如M57962L和M57959L）、富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）、东芝公司的TLP系列、法国汤姆森公司的VA4002集成电路等应用都很广泛。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。

在一般较低性能的三相电压源逆变器中，各种与电流相关的性能控制，通过检测直流母线上流入逆变桥的直流电流即可，如变频器中的自动转矩补偿、转差率补偿等。同时，这一检测结果也可以用来完成对逆变单元中IGBT实现过流保护等功能。因此在这种逆变器中，对IGBT驱动电路的要求相对比较简单，成本也比较低。这种类型的驱动芯片主要有东芝公司生产的TIP250，夏普公司生产的PC923等。TLP250包含一个GaAIAs发光二极管和一个集成光检测器，8脚双列封装结构。TLP250的典型特征如下：

1）输入阈值电流（IF）：5mA（最大）。

2）电源电流（Icc）：llmA（最大）。

3）电源电压（Vcc）：10~35V。

4）开关时间（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）。

5）隔离电压：2500Vpms（最小）。

使用TLP250时应在引脚8和5问连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦合器之间的引线长度不应超过lcm。TLP250使用特点如下：

1） TLP250输出电流较小，对较大功率IGBT实施驱动时，需要外加功率放大电路。

2） 由于流过IGBT的电流是通过其他电路检测来完成的，而且仅检测流过IGBT的电流，这就有可能对于IGBT的使用效率产生一定的影响，比如IGBT在安全工作区时，有时出现的提前保护等。

3） 要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到IGBT可靠关断应在10μs以内完成。

4） 当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对IGBT的栅极施加一负电压，使IGBT硬关断。这种主电路的dv/dt比正常开关状态下大了许多，造成了施加于IGBT两端的电压升高很多，有时就可能造成IGBT的击穿。

由集成电路TLP250构成的驱动电路如图6所示。TLP250内置光耦合器的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0 5μs，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V以内的IGBT。外加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的IGBT。TLP250构成的驱动器体积小，价格便宜，是不带过电流保护的IGBT驱动器中较理想的产品。由于TLP250不具备过电流保护功能，当IGBT过电流时，通过控制信号关断IGBT，IGBT中电流的下降很陡，且有一个反向的冲击。这将会产生很大的di/dt和开关损耗，而且对控制电路的过流保护功能要求很高。