IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1、cbt驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途作者:日期:一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT的概念是20世紀(jì)80年代初期提出的。IGBT具有復(fù)雜的集成結(jié)構(gòu)，它的工作頻率可以遠(yuǎn)高于雙極晶體管。 IGBT已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件的主流。在10100 kHz的中高壓大電流的范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。IGBT進(jìn)一步簡化了 功率器件的驅(qū)動(dòng)電路和減小驅(qū)動(dòng)功率。1 IGBT 的工作特性。IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)從N+區(qū)注 入到N-區(qū)的空穴（少子）對N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小W區(qū)的電阻 Rdr，使阻斷電壓高

2、的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。當(dāng) 柵極上施以負(fù)電壓時(shí)。MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。在IGBT導(dǎo)通之后。若將柵極電壓突然降至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使集電極電流有所下降， 但由于N-區(qū)中注入了大量的電子和空穴對，因而集電極電流不會(huì)馬上為零，而出現(xiàn)一個(gè)拖尾時(shí)間。2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)2.1 IGBT 器件型號選擇1 ） IGBT承受的正反向峰值電壓(7=1,414x380=537.32 V .(1)考慮到2-2.5倍的安全系數(shù)，可選IGBT的電壓為1 200 V2）IGBT導(dǎo)通時(shí)承受的峰值電流。W VT/= 1.414x78.9= 1 I L

3、63 A .(2)額定電流按380 V供電電壓、額定功率30 kVA容量算。選用的IGBT型號為SEMIKRON公司的SKM400GA128D 。2.2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求對于大功率IGBT，選擇驅(qū)動(dòng)電路基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電 路的正偏壓VGE負(fù)偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及 dv/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負(fù)載短路能力和dVcE /dt電流有較大影響，而門極負(fù)偏壓則對關(guān)斷特性的影響比較大。在門

4、極電路的設(shè)計(jì)中，還 要注意開通特性、負(fù)載短路能力和由 dVcE /dt電流引起的誤觸發(fā)等問題（見表1 ）。表1 IGBT門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系1特性如Eg2* E啄負(fù)栽短路能力電流d V出+%增加降低降低降低增加7GE減小略減小減小乩增大增加增加減小1由于IGBT的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化，因而驅(qū)動(dòng)電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT對其驅(qū)動(dòng)電路提出了以下要求。1 ）向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍骸２⑶以贗GBT導(dǎo)通后。柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠 的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)。瞬時(shí)過載

5、時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān)，在漏源電流一定的情況下，Vge越高，Vds儺就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是，Vge并非越高越好，一般不允許超過 20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取 +15 V為宜。2） 能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些 高頻振蕩信號，這些信號輕則會(huì)使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通 狀態(tài)。因

6、此，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓f幅值一般為515 V ），使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時(shí)仍 能可靠截止。3） 具有柵極電壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動(dòng)信號超出此范圍就可能 破壞柵極。4）由于IGBT多用于高壓場合。要求有足夠的輸人、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上 嚴(yán)格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。5）IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡單、實(shí)用。應(yīng)具有 IGBT的完整保護(hù)功能，很強(qiáng)的抗干擾能力，且輸出阻抗 應(yīng)盡可能的低。2.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動(dòng)信號和被驅(qū)動(dòng)的

7、絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產(chǎn)品主要用于 IGBT的驅(qū)動(dòng)，因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，所以光耦驅(qū)動(dòng)器無一例外都是 負(fù)壓關(guān)斷。M57962L是日本三菱電氣公司為驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)的厚膜集成電路，實(shí)質(zhì)是隔離型放大器，采用光電耦合方法實(shí)現(xiàn) 輸入與輸出的電氣隔離，隔離電壓高達(dá) 2 500 V，并配置了短路/過載保護(hù)電路。M57962L可分別驅(qū)動(dòng)600 V /200 A和600 V /400 A級IGBT模塊，具有很高的性價(jià)比。本次課題設(shè)計(jì)中選 用的IGBT最大電流400 A考慮其他隔離要求及保護(hù)措施，選用了 M57962L設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路。圖1為M57962L

8、內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開關(guān)運(yùn)行，光耦的原邊已串 聯(lián)限流電阻（約185 Q），可將5 V的電壓直接加到輸入側(cè)。它采用雙電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護(hù)電路、過電流保護(hù)輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，驅(qū)動(dòng)電信號延遲最大為1.5us 。圖1 M57962L 的結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)單獨(dú)用M57962L來驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)。有三點(diǎn)是應(yīng)該考慮的。首先。驅(qū)動(dòng)器的最大電流變化率應(yīng)設(shè)置在最小的RG電阻的限制范圍內(nèi)，因?yàn)閷υS多IGBT來講，使用的RG偏大時(shí)，會(huì)增大td（ on）（導(dǎo)通延遲時(shí)間），t d（ off）（截止延 遲時(shí)間），tr （

9、上升時(shí)間）和開關(guān)損耗，在高頻應(yīng)用（超過 5 kHz ）時(shí)，這種損耗應(yīng)盡量避免。另外。驅(qū)動(dòng)器本身的損 耗也必須考慮。如果驅(qū)動(dòng)器本身損耗過大，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器過熱，致使其損壞。最后，當(dāng) M57962L被用在驅(qū)動(dòng)大容量的IGBT時(shí)， 它的慢關(guān)斷將會(huì)增大損耗。引起這種現(xiàn)象的原因是通過 IGBT的Gres （反向傳輸電容）流到 M57962L柵極的電流不能 被驅(qū)動(dòng)器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關(guān)斷時(shí)間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應(yīng)用M57962L設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路見圖2。10圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路電源去耦電容C2C7采用鋁電解電容器，容量為100 uF /50 V，R1阻值取1 k Q，R2阻值取1.5

10、k Q，R3 取5.1 k Q，電源采用正負(fù)15 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號IN經(jīng)13腳輸入驅(qū)動(dòng)器 M57962L。雙向穩(wěn)壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V，Z3為30 V，防止IGBT的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅(qū)動(dòng)電路， 二極管采用快恢復(fù)的FR107管。2.4柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇使用M57962L，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流的 上升率（di/dt ），需要在柵極回路中串聯(lián)電阻 RG,若柵極電阻過大，貝U IGBT的開通與關(guān)斷能耗均增加；若柵極電阻 過小則使die/dt過大可能引發(fā)IGBT的誤導(dǎo)通，同時(shí)R。

11、上的能耗也有所增加。所以選擇驅(qū)動(dòng)電阻阻值時(shí)，要綜合考 慮這兩方面的因素，并防止輸出電流，IOP超過極限值5 A.RG 的選取可以依據(jù)公式：R伽仟（卩必+卜FE ）!:(3)對大功率的IGBT模塊來說，RGMIN數(shù)值一般按下式計(jì)算:這是因?yàn)閷τ诖蠊β实腎GBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)和防止內(nèi)部的振蕩，模塊內(nèi)部的各個(gè)開關(guān)器件都會(huì) 包含有柵極電阻器R G（INT） ，R G （ INT）數(shù)值視模塊種類不同而不同，一般在0.75 3 Q之間，而f的數(shù)值則依靠柵極 驅(qū)動(dòng)電路的寄生電感和驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)速度來決定，所以獲得R GMIN的最佳辦法就是在改變Rg時(shí)監(jiān)測Iop，當(dāng)Iop達(dá)到最大值時(shí)，RG達(dá)到極

12、限值R GMIN。但在使用中應(yīng)注意，Rg不能按前面的公式計(jì)算，而要略大于 R GMIN 。如Rg過小會(huì)造成IGBT柵極注入電流過大, 使IGBT飽和，無法關(guān)斷，即在驅(qū)動(dòng)脈沖過去的一段時(shí)間內(nèi)IGBT仍然導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)中要驅(qū)動(dòng)IGBT為大電流的功率器件，所以在選擇 Rg時(shí)綜合上述的要求，選取 RG為3.5 Q。3結(jié)束語本設(shè)計(jì)電路已經(jīng)成功應(yīng)用在助航燈恒流調(diào)光器電源中，取得較好的實(shí)用效果。IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用及IGBT對驅(qū)動(dòng)電路的要求IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用：IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用主要是將單片機(jī)脈沖輸出的功率進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT功率器件的目的。在保證 IGBT器件可靠、穩(wěn)定、安全工作的前提，驅(qū)動(dòng)

13、電路起到至關(guān)重要的作用。IGBT的工作特性：IGBT的等效電路及符合如圖 1所示,IGBT由柵極正負(fù)電壓來控制。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，管子導(dǎo)通;當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，管子關(guān)斷。oGQC圖1等效電路及符號IGBT具有和雙極型電力晶體管類似的伏安特性，隨著控制電壓UGE的增加，特性曲線上移。開關(guān)電源中的IGBT通過UGE電平的變化,使其在飽和與截止兩種狀態(tài)交替工作。IGBT對驅(qū)動(dòng)電路的要求：(1) 提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷?，使IGBT能可靠地開通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但若UGE過大，則負(fù)載短路時(shí)其IC隨UGE增大而增大，對其安全不利使用中選UGE V5V為好。負(fù)偏電壓可防

14、止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般選UGE=-5V為宜。(2) IGBT的開關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮?？焖匍_通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下，IGBT的開頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_斷和關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。(3) IGBT開通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞。(4) IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻 RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率 ，但會(huì)增加IGBT的開 關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；RG較小，會(huì)引起電流上升率增大，使 IGBT誤導(dǎo)通

15、或損壞。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及 IGBT的容量有關(guān)，一般在 幾歐幾十歐，小容量的IGBT其RG值較大。，另外,(5) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對IG2BT的保護(hù)功能。IGBT的控制、 驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下,G E斷不能開路。XI IGBT的翼動(dòng)電路要求KJ3T與普遇晶體三極管一樣，可工作在踐性放丸區(qū)、tft和區(qū)和住止區(qū)在便用中主要件為開 嫌幕件應(yīng)用WTI件打飽和區(qū)和止瓦 在驅(qū)動(dòng)電Ifr中主要flttlGBT的飽和導(dǎo)迺和離止Iff啊禺 使其開通卜開沿H咲魁下降沿都比較陡贏 檯極正向耿動(dòng)電壓的大小將對電路怡能產(chǎn)牛審型越晌 必頸正確

16、選捋。肖正向駆動(dòng)電壓增大時(shí)，2町的導(dǎo)通電湫卜腎.使開通損耗城小但若正向嗽動(dòng) "tma大則負(fù)載也路時(shí)其翅路電iS JC騎UG冃冠而增大貢能使IGBTMI?性效應(yīng)丫導(dǎo)歎門控 失效*從血適應(yīng)KJRT的抽壞：莆正間刪動(dòng)電服過小的史IGKTi醐他種尋逋區(qū)血進(jìn)入線性放大IX 域*使IGET過熱按壞；使川中選12V<UGE<18V為好.冊慨負(fù)輔置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌 電沅過大而ft IGHT謀導(dǎo)通 離員值置電壓選 刖另外.IGBT開通石驅(qū)動(dòng)電胳應(yīng)槌供足 嘏:的電H：利電濾幅值，ttrGBl 4a£ # L作段過載悄;兄卜不致退出飽和坤誦注而損如，IG9T 時(shí)*冊附極也丿I

17、倍期哽IGBT和電踣石生拳數(shù)的干擾.使柵射屯壓別起器H課鋅逋， 泊防止這柯現(xiàn)象發(fā)生，喬耍右撮射按間井按一個(gè)電阻。在實(shí)際嚴(yán)用中為訪止悔極那動(dòng)電熾山規(guī)禹兒 Sfe*在軒射權(quán)間片接兩只反向串聯(lián)的穗壓二暫J（為壓1ft應(yīng)與正負(fù)欄壓相同« IGBT快速幵踴 和蕓斷有利十提高工作頰軍，減小開關(guān)損耗一小梅丈電憊負(fù)栽卜【GRT的殲去賴率恥賣過大.園為 衣速開通和犬?dāng)鄷r(shí),令產(chǎn)土烈高的jt峰電壓,極育可懈S成KSPT或芬他兒甜f眩擊,醫(yī)込的冊極那功電&1RG和搦射電容CG XJ JGBT的驅(qū)動(dòng)*H 3雖裁口 RG較小“柵射械Z同的 充竝電時(shí)河常董比較小.會(huì)他開團(tuán)謝川電追U於【上電止的曲/曲較大.很丈1甘會(huì)擁壞I知訂：R燈 校大.有利干抑制姻加1但會(huì)増血IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗件適的CG有利