IGBT驱动原理

IGBT驱动原理目录一、简介二、工作原理三、技术现状四、测试方法五、选取方法简介：绝缘栅双极晶体管IGBT是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。1IGBT门极驱动要求1.1栅极驱动电压因IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行驱动，但IGBT的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。图1是一个典型的例子。在+20℃情况下，实测60A，1200V以下的IGBT开通电压阀值为5～6V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge增加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc的选择不应太大，这足以使IGBT完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力)。1.2对电源的要求对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5V的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿，一般为-2～10V之间)。1.3对驱动波形的要求从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压Ldi/dt，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及du/dt吸收电路性能综合考虑。1.4对驱动功率的要求由于IGBT的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：IGP=△Uge/RG+Rg；式中△Uge=+Uge+|Uge|；RG是IGBT内部电阻；Rg是栅极电阻。驱动电源的平均功率为：PAV=Cge△Uge2f,式中．f为开关频率；Cge为栅极电容。1.5栅极电阻为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT集电极的电压尖峰，应在IGBT栅极串上合适的电阻Rg。当Rg增大时，IGBT导通时间延长，损耗发热加剧；Rg减小时，di/dt增高，可能产生误导通，使IGBT损坏。应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取Rg的数值。通常在几欧至几十欧之间(在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整)。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏IGBT，建议在栅射间加入一电阻Rge，阻值为10kΩ左右。1.6栅极布线要求合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT正常工作有很大帮助。a．布线时须将驱动器的输出级和lGBT之间的寄生电感减至最低(把驱动回路包围的面积减到最小)；b．正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合；c．应使用辅助发射极端子连接驱动电路；d．驱动电路输出不能和IGBT栅极直接相连时，应使用双绞线连接(2转/cm)；e．栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。1.7隔离问题由于功率IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离，主要的途径及其优缺点如表1所示。表1驱动电路与控制电路隔离的途径及优缺点利用光电耦合器进行隔离优点：体积小、结构简单、应用方便、输出脉宽不受限制，适用于PWM控制器缺点1、共模干扰抑制不理想2、响应速度慢，在高频状态下应用受限制3、需要相互隔离的辅助电源利用脉冲变压器进行隔离优点：响应速度快，共模干扰抑制效果好缺点：1、信号传送的最大脉冲宽度受磁芯饱和特性的限制，通常不大于50%，最小脉宽受磁化电流限制2、受漏感及集肤影响，加工工艺复杂2典型的门极驱动电路介绍2.1脉冲变压器驱动电路脉冲变压器驱动电路如图2所示，V1～V4组成脉冲变压器一次侧驱动电路，通过控制V1、V4和V2、V3的轮流导通，将驱动脉冲加至变压器的一次侧，二次侧通过电阻R1与IGBT5栅极相连，R1、R2防止IGBT5栅极开路并提供充放电回路，R1上并联的二极管为加速二极管，用以提高IGBT5的开关速度，稳压二极管VS1、VS2的作用是限制加在IGBT5g-e端的电压，避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过20V。图2脉冲变压器驱动电路2.2光耦隔离驱动电路光耦隔离驱动电路如图3所示。由于IGBT是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由PWM控制器输出的方波信号加在三极管V1的基极，V1驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路IC1，经IC1放大后驱动由V2、V3组成的对管(V2、V3应选择β100的开关管)。对管的输出经电阻R1驱动IGBT4，R3为栅射结保护电阻，R2与稳压管VS1构成负偏压产生电路，VS1通常选用1W/5.1V的稳压管。此电路的特点是只用1组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。图3光耦隔离驱动电路2.3驱动模块构成的驱动电路应用成品驱动模块电路来驱动IGBT，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的HCPL316J、3120等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动IGBT可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。HCPL316J典型电路如图4所示。图4由驱动模块构成的驱动电路HCPL316J可以驱动150A/1200V的IGBT，光耦隔离，COMS/TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度500ns，工作电压15～30V，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准SOL-16表面贴装。HCPL316J输入、输出部分各自排列在集成电路的两边，由PWM电路产生的控制信号加在316j的第1脚，输入部分需要1个5V电源，RESET脚低电平有效，故障信号输出由第6脚送至PWM的关闭端，在发生过流情况时及时关闭PWM输出。输出部分采用+15V和-5V双电源供电，用于产生正负脉冲输出，14脚为过流检测端，通过二极管VDDESAT检测IGBT集电极电压，在IGBT导通时，如果集电极电压超过7V，则认为是发生了过流现象，HCPL316J慢速关断IGBT，同时由第6脚送出过流信号。3、结语通过对IGBT门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍，使大家对IGBT的应用有一定的了解。可作为设计IGBT驱动电路的参考。工作原理：驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致IGBT和驱动器损坏。以下总结了一些关于IGBT驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。igbt驱动电路是驱动igbt模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。因此，在IGBT数据手册中给出的电容Cies值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用。IGBT的开关特性主要取决于IGBT的门极电荷及内部和外部的电阻现有技术现状：开关电源中大功率器件驱动电路的设计一向是电源领域的关键技术之一。普通大功率三极管和绝缘栅功率器件(包括VMOS场效应管和IGBT绝缘栅双极性大功率管等),由于器件结构的不同,具体的驱动要求和技术也大不相同。前者属于电流控制器件,要求合适的电流波形来驱动;后者属于电场控制器件,要求一定的电压来驱动。本文只介绍后者的情况。VMOS场效应管(以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件)的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过,因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容Cgs，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之内,对于大功率的绝缘栅功率器件,由于栅极电容Cgs较大，在1-100nF,甚至更大,因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容Cdg,栅极驱动功率是不可忽视的。为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些优秀的驱动集成电路，如IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般有两种途径：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是：A.反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大，因而栅源间的波形Vgs将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积。有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频(1MHz以上)调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单,价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。分时式自给电源技术，是国内的发明专利技术，其特点是变压器在输入PWM信号的上升和下降沿只传递PWM信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量，因而波形失真很小。这种技术的缺点是占空比一般只能达到5－95%。市场驱动器简介：当前市场上的成品驱动器,按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分,可分为直接驱动和隔离驱动两种,其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。不隔离的直接驱动器:在Boost、全波、正激或反激等电路中，功率开关管的源极位于输入电源的下轨，PWMIC输出的驱动信号一般不必与开关管隔离，可以直接驱动。如果需要较大的驱动能力,可以加接一级放大器或是串上一个成品驱动器。直接驱动的成品驱动器一般都采用薄膜工艺制成IC电路，调节电阻和较大的电容由外引脚接入。目前的成品驱动器种类不少，如TI公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，Onsemi公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR公司的IR21XX系列，等等，种类繁多。使用光电耦合器的隔离驱动器:隔离驱动产品绝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器件，采用厚膜工艺制成HIC电路，部分阻容元件也由引脚接入。目前市售的光电耦合型驱动器产品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI公司的M579XX系列等M579XX系列、国内的TX-KA系列等。此类产