IGBT驅動(dòng)電路的應用設計詳解

　 IGBT驅動(dòng)電路的應用設計

　　隔離驅動(dòng)產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來(lái)隔離輸入的驅動(dòng)信號和被驅動(dòng)的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產(chǎn)品主要用于IGBT的驅動(dòng)，因IGBT具有電流拖尾效應，所以光耦驅動(dòng)器無(wú)一例外都是負壓關(guān)斷。下面我們就以M57962L來(lái)為基礎設計相關(guān)的驅動(dòng)電路！

　　下圖為M57962L驅動(dòng)器的內部結構框圖，采用光耦實(shí)現電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開(kāi)關(guān)運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻（約185 Ω），可將5 V的電壓直接加到輸入側。它采用雙電源驅動(dòng)結構，內部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器和過(guò)電流保護電路、過(guò)電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，驅動(dòng)電信號延遲最大為1.5us。

　　當單獨用M57962L來(lái)驅動(dòng)IGBT時(shí)。有三點(diǎn)是應該考慮的。首先。驅動(dòng)器的最大電流變化率應設置在最小的RG電阻的限制范圍內，因為對許多IGBT來(lái)講，使用的RG 偏大時(shí)，會(huì )增大td（on ）（導通延遲時(shí)間），t d（off）（截止延遲時(shí)間），tr（上升時(shí)間）和開(kāi)關(guān)損耗，在高頻應用（超過(guò)5 kHz）時(shí)，這種損耗應盡量避免。另外。驅動(dòng)器本身的損耗也必須考慮。

　　如果驅動(dòng)器本身?yè)p耗過(guò)大，會(huì )引起驅動(dòng)器過(guò)熱，致使其損壞。最后，當M57962L被用在驅動(dòng)大容量的IGBT時(shí)，它的慢關(guān)斷將會(huì )增大損耗。引起這種現象的原因是通過(guò)IGBT的Gres（反向傳輸電容）流到M57962L柵極的電流不能被驅動(dòng)器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關(guān)斷時(shí)間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應用M57962L設計的驅動(dòng)電路如下圖。

　　電路說(shuō)明：電源去耦電容C2 ～C7采用鋁電解電容器，容量為100 uF／50 V，R1阻值取1 kΩ，R2阻值取1.5kΩ，R3取5.1 kΩ，電源采用正負l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號IN經(jīng)l3腳輸入驅動(dòng)器M57962L。雙向穩壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V，Z3為30 V，防止IGBT的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅動(dòng)電路，二極管采用快恢復的FR107管。

　　多電路輸出的IGBT驅動(dòng)設計

　　工作原理為：PWM控制芯片輸出的兩路反相PWM 信號經(jīng)元件組成的功率放大電路放大之后，再經(jīng)脈沖變壓器隔離耦合輸出4路驅動(dòng)信號。4路驅動(dòng)信號根據觸發(fā)相位分為相位相反的兩組。驅動(dòng)信號1與驅動(dòng)信號3同相位，驅動(dòng)信號2與驅動(dòng)信號４同相位。該電路采用脈沖變壓器實(shí)現了被控IGBT高電壓主回路與控制回路的可靠隔離，IGBT 的GE間的穩壓管用于防止干擾產(chǎn)生過(guò)高的ＵＧＥ而損壞IGBT的控制極。與MOSFET一樣，負偏壓可以防止母線(xiàn)過(guò)高ｄｕ／ｄｔ造成門(mén)極誤導通。但只要控制好母線(xiàn)電壓瞬態(tài)過(guò)沖，可不需要IGBT的負偏壓。此電路中，脈沖變壓器次級接相應電路將驅動(dòng)波形的負脈沖截去，大大減少了驅動(dòng)電路的功耗。

　　由于IGBT的開(kāi)關(guān)特性和安全工作區隨著(zhù)柵極驅動(dòng)電路的變化而變化，因而驅動(dòng)電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT驅動(dòng)電路需要滿(mǎn)足以下要求：

　　1．提供一定的正向和反向驅動(dòng)電壓，使IGBT能可靠地開(kāi)通和關(guān)斷。

　　2．提供足夠大的瞬時(shí)驅動(dòng)功率或瞬時(shí)驅動(dòng)電流，使IGBT能及時(shí)迅速地建立柵控電場(chǎng)而導通。

　　3．具有盡可能小的輸入、輸出延遲時(shí)間，以提高工作頻率。

　　4．足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅動(dòng)電路絕緣。

　　5．具有靈敏的過(guò)電流保護能力。

　　IGBT驅動(dòng)電路設計的趨勢

　　集成化模塊構成的IGBT柵控電路因其性能可靠、使用方便，從而得到了普遍應用，也是驅動(dòng)電路的發(fā)展方向。各大公司均有不同系列的IGBT驅動(dòng)模塊，其基本功能類(lèi)似，各項控制性能也在不斷提高。例如富士公司的EXB系列驅動(dòng)模塊內部帶有光耦合器件和過(guò)電流保護電路，它的功能如下圖所示。

　　EXB系列驅動(dòng)模塊與IGBT之間的外部接口電路如下圖所示。驅動(dòng)信號經(jīng)過(guò)外接晶體管的放大，由管腳14和管腳15輸入模塊。過(guò)電流保護信號由測量反映元件電流大小的通態(tài)電壓vCE 得出，再經(jīng)過(guò)外接的光耦器件輸出，過(guò)電流時(shí)使IGBT立即關(guān)斷。二只33uF的外接電容器用于吸收因電源接線(xiàn)所引起的供電電壓的變化。管腳1和管腳3的引線(xiàn)分別接到IGBT的發(fā)射極E和門(mén)極G，引線(xiàn)要盡量短，并且應采用絞合線(xiàn)，以減少對柵極信號得到干擾。圖中D為快速恢復二極管。

　　由于IGBT在發(fā)生短路后是不允許過(guò)快地關(guān)斷，因為此時(shí)短路電流已相當大，如果立即過(guò)快關(guān)斷會(huì )造成很大的di/dt，這在線(xiàn)路分布電感的作用下會(huì )在IGBT上產(chǎn)生過(guò)高的沖擊電壓，極易損壞元件。所以在發(fā)生短路后，首先應通過(guò)減小柵極正偏置電壓，使短路電流得以抑制，接著(zhù)再關(guān)斷IGBT，這就是所謂“慢關(guān)斷技術(shù)”，這一功能在某些公司生產(chǎn)的模塊中已有應用。