IGBT驱动电路设计.docx

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IGBT驱动电路设计

IGBT驱动电路设计

一种IGBT驱动电路的设计

　　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10～100kHz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。

　　1IGBT的工作特性。

　　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

　　2.1IGBT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1200V。

　　2）IGBT导通时承受的峰值电流。

　　额定电流按380V供电电压、额定功率30kVA容量算。

选用的IGBT型号为SEMIKRON公司的SKM400GA128D。

　　2.2IGBT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1IGBT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20V，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+15V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5～15V），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+20V，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2500V，并配置了短路／过载保护电路。

　　M57962L可分别驱动600V／200A和600V／400A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400A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185Ω），可将5V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2500V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1M57962L的结构框图

　　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。

IGBT驱动电路的作用及IGBT对驱动电路的要求

IGBT驱动电路的作用：

　　IGBT驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大，以达到驱动IGBT功率器件的目的。

在保证IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提，驱动电路起到至关重要的作用。

　　IGBT的工作特性：

　　IGBT的等效电路及符合如图1所示,IGBT由栅极正负电压来控制。

当加上正栅极电压时,管子导通;当加上负栅极电压时,管子关断。

　　IGBT具有和双极型电力晶体管类似的伏安特性,随着控制电压UGE的增加,特性曲线上移。

开关电源中的IGBT通过UGE电平的变化,使其在饱和与截止两种状态交替工作。

　　IGBT对驱动电路的要求：

（1）提供适当的正反向电压,使IGBT能可靠地开通和关断。

当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降,但若UGE过大,则负载短路时其IC随UGE增大而增大,对其安全不利,使用中选UGEν15V为好。

负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般选UGE=-5V为宜。

（2）IGBT的开关时间应综合考虑。

快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。

但在大电感负载下,IGBT的开频率不宜过大,因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压,及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。

　　（3）IGBT开通后,驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。

　　（4）IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响,RG较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT的开关时间和开关损耗;RG较小,会引起电流上升率增大,使IGBT误导通或损坏。

RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧～几十欧,小容量的IGBT其RG值较大。

　　（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IG2BT的保护功能。

IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,G—E断不能开路。