IGBT驱动电路原理与设计技巧详解

本文着重介绍三个IGBT驱动电路。驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，对IGBT驱动电路的基本要求如下：

(1) 提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。

(2) 提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。

(3) 尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。

(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) 具有灵敏的过流保护能力。

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。

b、端口VL/Reset

这个端子是用来定义具有施密特性质的输入InA和InB的，使得输入在2/3VL时开通，在I/3 VL时作为关断信号。当PWM信号是TTL电平时， 该端子连接如图3-5所示，当输入InA和InB信号为15V的时候，该端子应该通过一个大约1K左右的电阻连接到++15V电源上，这样开启和关断电压 分别应该是lov和5V。另外，输入UL/Reset端还有另外的功能：如果其接地，则逻辑驱动接口单元l.DI001内的错误信息被清除。

c、门极输出端

门极输出Gx端子接电力半导体的门极，当SCALE驱动器用15V供电的时候，门极输出土15V.负的门极电压由驱动器内部产生。使用如图3-6 结构的电路可以实现开通和关断的速度的不一样，增加了用户使用的灵活性。

d、布局和布线

驱动器应该尽可能近的和功率半导体放在一起，这样从驱动器到电力晶体管的引线就会尽可能的短，一般来说驱动器的连线尽量不要长 过10厘米。同时一般要求到集电极和发射极的引线采用绞合线，还有可以在IGBT的门极和发射极之间连接一对齐纳稳压二极管(15~18V) 来保护IGBT不会被击穿。

驱动模块的模式选择端MOD外接+15V电源，输入引脚RC1和RC2接地，为直接工作模式。逻辑控制电平采用+15V，信号输入管脚InA、 InB连 接在一起接收来自单片机的脉冲信号，进行同步控制。2SD315A的SO1和SO2两只管脚外接三极管和光耦用来向单片机输出两输出通道的 工作状态，其输出端结构皆为集电极开路输出，可以通过外接上拉电阻以适用于各种电平逻辑。 在管脚SO1、SO2和电源之间以及VisoX 和LSX之间加发光二极管进行故障指示。正常情况下SO1和SO2输出皆为高电平，上电后D3和D4先亮，延时几秒后熄灭，同时D8和D15发亮。

当检测到故障信号时，SO1和SO2的输出电平被拉低到地，即D3和D4发亮，同时D8和D15闪烁。2SD315A是通过监测UCE(sat)来 判断回路是否 短路和过流，当检测到一路或两路发生过流现象时，检测电路会把异常状态回馈到驱动模块，驱动模块内部会产生一个故障信号并将它 锁存，锁存时间为1s，在这段时间内，驱动模块不再输出信号，而是将两组IGBT及时关断予以保护。同时，状态输出管脚SO1和SO2的高电平 被拉低，光耦TLP521导通，两路状态信号通过或门74LS32送给单片机。为防止因关断速度太快在IGBT的集电极上产生很高的反电动势，在门极输出 端采用如图所示的电路结构实现开通和关断速度的不同。开通时门极电阻为3.4Ω，关断时电阻为6.8Ω，二极管采用快恢 复型，这样就使关断速度下降到安全水平。

IGBT短路失效机理

IGBT负载短路下的几种后果

(1) 超过热极限：半导体的本征温度极限为250℃，当结温超过本征温度，器件将丧失阻断能力，IGBT负载短路时，由于短路电流时结温升 高，一旦超过其热极限时，门级保护也相应失效。

(2) 电流擎住效应：正常工作电流下，IGBT由于薄层电阻Rs很小，没有电流擎住现象，但在短路状态下，由于短路电流很大，当Rs上的压降 高于0.7V时，使J1正偏，产生电流擎住，门级便失去电压控制。

(3) 关断过电压：为了抑制短路电流，当故障发生时，控制电路立即撤去正门级电压，将IGBT关断，短路电流相应下降。由于短路电流大， 因此，关断中电流下降率很高，在布线电感中将感生很高的电压，尤其是在器件内封装引线电感上的这种感应电压很难抑制，它将使器件有过电流变为关断过电压而 失效。

IGBT过流保护方法

(1) 减压法：是指在故障出现时，降低门级电压。由于短路电流比例于外加正门级电压Ug1，因此在故障时，可将正门级电压降低。

(2) 切断脉冲方法：由于在过流时，Uce电压升高，我们利用检测集电极电压的方法来判断是否过流，如果过流，就切断触发脉冲。同时尽 量采用软关断方式，缓解短路电流的下降率，避免产生过电压造成对IGBT的损坏。