IGBT柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)探討

1、文章編號(hào)10042924X (2000 0120076203IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)探討王世杰(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 吉林長(zhǎng)春130021摘要:絕緣柵雙極二級(jí)管(IGBT 作為一種可控開(kāi)關(guān), 獲得了廣泛應(yīng)用。IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)是其應(yīng)用的一個(gè)重要方面。在本文中著重討論了IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)的基本問(wèn)題, 并介紹了幾個(gè)新的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞:絕緣柵雙極二級(jí)管; 柵極; 驅(qū)動(dòng); 保護(hù)中圖分類號(hào):TN 313. 6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言由于功率容量增加, 控制方法簡(jiǎn)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(hào)使其導(dǎo)通, 但必須使用功率電路使其關(guān)斷。3 可控開(kāi)關(guān), 由控制信號(hào)使其通斷。可控開(kāi)關(guān)類包括:雙結(jié)晶體管(BJT , 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(M O SFET , 門可關(guān)斷晶閘管(GTO , 絕緣柵雙極二級(jí)管(IGB T , M O S 控制晶閘管(M CT , 近年來(lái)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(dòng)電路簡(jiǎn)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(dòng), 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(dòng)作。對(duì)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(duì)于大容量要加到15V 。2. 2幾種典型IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)方式1 變壓器驅(qū)動(dòng)法此種方式優(yōu)點(diǎn)是有利于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離與驅(qū)動(dòng)功率的傳輸, 但限制了使用頻率, 不利于PWM 信號(hào)傳輸。2 直接驅(qū)動(dòng)法這種方式適用于小容量的不加保護(hù)的IGB T 應(yīng)用場(chǎng)合?？捎肨 TL 加

4、晶體管直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)IGB T ?，F(xiàn)有M I C 4451等驅(qū)動(dòng)器可直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGB T 。3 光耦隔離驅(qū)動(dòng)此種方式采用光耦傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行放大, 對(duì)通斷時(shí)間寬度無(wú)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(duì)光耦的要求較高, 要求光耦速度快(傳輸延遲時(shí)間為S 級(jí) , 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(dòng)方式有如下三種方式:1 光耦直接驅(qū)動(dòng)IGB T , 無(wú)故障檢測(cè)及保護(hù)。2 光耦加帶保護(hù)的專用電路來(lái)驅(qū)動(dòng)IGB T 。3 光隔離、保護(hù)及驅(qū)動(dòng)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(guò)流、柵極過(guò)壓欠壓保護(hù)及過(guò)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(xiàng)目。最簡(jiǎn)單且常用的保護(hù)方法是檢測(cè)IGB T 的非飽和狀態(tài), 它能快速檢測(cè)出短路時(shí)過(guò)電流的電平, 利用斷開(kāi)柵極信號(hào)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。另外比較常用的過(guò)流檢測(cè)方法是用霍爾元件

6、或CT 測(cè)出發(fā)射極電流, 將反饋信號(hào)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(shí), 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(guò)熱。所以要有低柵壓保護(hù)電路, 在柵極電壓低于11V 時(shí)斷開(kāi)柵極信號(hào)。3 過(guò)熱保護(hù)可通過(guò)計(jì)算IGB T 的熱力學(xué)模型, 來(lái)確定散熱器的溫度。采用熱敏電阻或溫度開(kāi)關(guān)測(cè)定散熱器溫度并反饋信號(hào)給控制器來(lái)控制IGB T 柵極信號(hào)。3IGB T 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)3. 1無(wú)保護(hù)光耦直接驅(qū)動(dòng)圖1所示為無(wú)過(guò)流保護(hù)的光耦合器直接驅(qū)動(dòng)IGB T 電路。HCPL -3120為

7、可輸出2A 的IGB T 柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)。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(dòng)電壓。HCPL 23120適合于額定容量為1200V 100A 的IGB T 。對(duì)于更高容量的IGB T , 可用HCPL 23120驅(qū)動(dòng)分立器件功率級(jí), 由其驅(qū)動(dòng)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(shí) 。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(kāi)關(guān)速度:500nS 。3. 2光耦加專用驅(qū)動(dòng)電路光耦加帶保護(hù)的專用電路驅(qū)動(dòng)IGB T 見(jiàn)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(jì)用作IGB T 柵極驅(qū)動(dòng)的電路, 同時(shí)它也非常適于驅(qū)動(dòng)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(guò)流、欠

9、壓保護(hù)。M C 33153有故障輸出信號(hào)(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(hào), 對(duì)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(kāi)始啟動(dòng)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(cè)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(cè)集電極電壓并在器件非飽和時(shí)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(shí), D 1將非飽和檢測(cè)端(端8 拉低。當(dāng)IGB T 脫離飽和區(qū)或關(guān)斷時(shí), 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(shí), 集電極電壓大于最大允許集電極飽和電壓時(shí), 表示故障存在, 非飽和比較器輸出與柵極輸入信號(hào)相“與”后反饋給短路和過(guò)流鎖存器, 過(guò)流鎖存器將由于故障的存在而在本周期剩余時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)IGB T 柵極信號(hào)。3. 3集成模塊驅(qū)動(dòng)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(guò)流保護(hù)和輸出功率級(jí)集成一體。它能驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率。 F ig . 3Gate driver in one mod

11、u le4結(jié)束語(yǔ)在討論了IGB T 柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 提出了幾種帶光隔離驅(qū)動(dòng)IGB T 的實(shí)用電路。由于變壓器驅(qū)動(dòng)及直接驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用不多且較簡(jiǎn)單, 故未多作介紹。對(duì)于光隔離驅(qū)動(dòng)方式, 介紹了三種經(jīng)實(shí)際應(yīng)用而又較為典型的電路。IGB T 的驅(qū)動(dòng)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(lái)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

12、 &Son s , Inc , 1995.2張占松, 蔡宣三. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)M . 北京:電子工業(yè)出版社, 1999.3E rick son Robert W . Fundam en tal of pow er electron ics M . N ew Yo rk :In ternati onal T hom son Pub lish ing , 1997.Techn ique of IGBT ga te dr iv i ngW AN G Sh i 2jie(Chang chun Institu te of Op tics , F ine M echan ics and P hy s

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