IGBT驱动电路作用与设计详解

IGBT驱动电路的作用

IGBT驱动电路的作用是驱动IGBT模块以能让其正常工作，同时对IGBT模块进行保护。IGBT 驱动电路的作用对整个IGBT构成的系统来说至关重要。IGBT是电路的核心器件，它可在高压下导通，并在大电流下关断，在硬开关桥式电路中，功率器件IGBT能否正确可靠地使用起着至关重要的作用。驱动电路就是将控制电路输出的PWM信号进行功率放大，以满足驱动IGBT的要求，驱动电路设计的是否合理直接关系到IGBT的安全、可靠使用。IGBT驱动电路还为IGBT器件提供门极过压、短路保护、过流保护、过温保护、Vce过压保护(有源钳位)、门极欠压保护，didt保护(短路过流保护的一种)。

IGBT驱动电路的设计

1. 设计IGBT驱动电路需要考虑的性能参数

1)IGBT在电路中承受的正反向峰值电压，可以由下面的公式导出：

设计驱动电路时需要考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为1200V。

2)在电路中IGBT导通时需要承受的峰值电流，可以由下面的公式导出：

2.IGBT驱动器的选择

在实际电路中，栅极电阻的选择要考虑开关速度的要求和损耗的大小。栅极电阻也不是越小越好，当栅极电阻很小时，IGBT的CE间电压尖峰过大 栅极电阻很大时，又会增大开关损耗。所以，选择IGBT驱动器时要在尖峰电压能够承受的范围内适当减小栅极电阻。由于电路中的杂散电感会引起开关状态下电压和电流的尖峰和振铃，在实际的驱动电路中，连线要尽量短，并且驱动电路和吸收电路应布置在同一个PCB板上，同时在靠近IGBT的GE间加双向稳压管， 以箝位引起的耦合到栅极的电压尖峰。

对于大功率IGBT，设计和选择驱动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(见下图)。

3.IGBT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。下面我们就以M57962L来为基础设计相关的驱动电路!

下图为M57962L驱动器的内部结构框图，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。

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设计的驱动电路如下图。

电路说明：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。

多电路输出的IGBT驱动设计

工作原理为：PWM控制芯片输出的两路反相PWM 信号经元件组成的功率放大电路放大之后，再经脉冲变压器隔离耦合输出4路驱动信号。4路驱动信号根据触发相位分为相位相反的两组。驱动信号1与驱动信号3同相位，驱动信号2与驱动信号4同相位。该电路采用脉冲变压器实现了被控IGBT高电压主回路与控制回路的可靠隔离，IGBT 的GE间的稳压管用于防止干扰产生过高的UGE而损坏IGBT的控制极。与MOSFET一样，负偏压可以防止母线过高du/dt造成门极误导通。但只要控制好母线电压瞬态过冲，可不需要IGBT的负偏压。此电路中，脉冲变压器次级接相应电路将驱动波形的负脉冲截去，大大减少了驱动电路的功耗。

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驱动电路需要满足以下要求：

1.提供一定的正向和反向驱动电压，使IGBT能可靠地开通和关断。

2.提供足够大的瞬时驱动功率或瞬时驱动电流，使IGBT能及时迅速地建立栅控电场而导通。

3.具有尽可能小的输入、输出延迟时间，以提高工作频率。

4.足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。

5.具有灵敏的过电流保护能力。

IGBT驱动电路设计的趋势

集成化模块构成的IGBT栅控电路因其性能可靠、使用方便，从而得到了普遍应用，也是驱动电路的发展方向。各大公司均有不同系列的IGBT驱动模块，其基本功能类似，各项控制性能也在不断提高。例如富士公司的EXB系列驱动模块内部带有光耦合器件和过电流保护电路，它的功能如下图所示。

EXB系列驱动模块与IGBT之间的外部接口电路如下图所示。驱动信号经过外接晶体管的放大，由管脚14和管脚15输入模块。过电流保护信号由测量反映元件电流大小的通态电压vCE 得出，再经过外接的光耦器件输出，过电流时使IGBT立即关断。二只33uF的外接电容器用于吸收因电源接线所引起的供电电压的变化。管脚1和管脚3的引线分别接到IGBT的发射极E和门极G，引线要尽量短，并且应采用绞合线，以减少对栅极信号得到干扰。图中D为快速恢复二极管。

由于IGBT在发生短路后是不允许过快地关断，因为此时短路电流已相当大，如果立即过快关断会造成很大的di/dt，这在线路分布电感的作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压，极易损坏元件。所以在发生短路后，首先应通过减小栅极正偏置电压，使短路电流得以抑制，接着再关断IGBT，这就是所谓“慢关断技术”，这一功能在某些公司生产的模块中已有应用。