igbt驱动
浅析IGBT驱动
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 (10-40 kHz) 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。在此根据长期使用 IGBT 的经验并参考有关文献对 IGBT 的门极驱动问题做了一些总结，希望对广大 IGBT 应用人员有一定的帮助。 1 IGBT 门极驱动要求
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 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为 5 ～ 6 V ，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
1.3 对驱动波形的要求
1.4 对驱动功率的要求
I GP = △ U ge /R G +R g ；
驱动电源的平均功率为：
式中． f 为开关频率； Cge 为栅极电容。
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 10 k Ω左右。
1.6 栅极布线要求
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；
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) ；
1.7 隔离问题
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
缺点
2 、响应速度慢，在高频状态下应用受限制
利用脉冲变压器进行隔离
缺点：
2 、受漏感及集肤影响，加工工艺复杂
2.1 脉冲变压器驱动电路
图 2 脉冲变压器驱动电路
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β >100 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 1 W/5.1 V 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
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。 EXB840 和 M57962 很多资料都有介绍，KA101和KA102的资料可以查看网站http://www.pwrdriver.com/product/ka101.php，这里就简要介绍一下惠普公司的 HCPL316J 。典型电路如图 4 所示。
图 4 由驱动模块构成的驱动电路
3 结语
目前绝缘栅器件(IGBT)驱动技术现状
现有技术概述 市场上的驱动器产品简介
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。
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。
分时式自给电源是北京落木源公司的创新技术，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％。
市场上的驱动器产品简介
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，PWM IC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，本文不作具体介绍，读者可查阅相关资料。
使用光电耦合器的隔离驱动器
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、英达公司的HR065和西安爱帕克电力电子有限公司的HL402B等，以及北京落木源电子技术有限公司的TX-KA系列。TX-KA系列驱动器保护功能完善、工作频率高、价格便宜，并能与多种其它类型的驱动器兼容。
此类产品，由于光电耦合器的速度限制，一般工作频率都在50KHz以下(TX-KA101可达80K)。它们的优点是，大部分具有过流保护功能，其过电流信号是从IGBT的管压降中取得的；共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源，因而使用较为麻烦。
由于成本问题，该类产品价格稍高，因此只适用于在大功率电源中驱动IGBT模块，在中小功率领域难以推广使用。
目前有CONCEPT公司的２SD315A和SEMIKRON公司的SKHI2２等，使用两个脉冲变压器传递半桥驱动信号，需要一路电源输入，自带一个DC/DC电源提供驱动所需的两个辅助电源．输出的驱动信号质量不错，驱动能力也很强，但由于结构复杂，因而体积较大，价格不菲，只适用于特大功率电源中。上述两种驱动板的信号传递采用的是调制技术。
北京落木源公司也开发了一款变压器隔离的驱动器，型号为KB101，可以工作在较高的频率上，但是需要用户提供辅助电源。
调制式自给电源驱动器，采用变压器进行电气隔离，通过载频传递驱动所需要的能量，通过调制信号传递PWM信息，因此可以通过0－100％占空比的PWM信号。目前的许多驱动板产品都采用这种技术，如西门康的SKHI27等。
单片式的调制驱动器，目前国外还未见有产品出售。但有一种2片组合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成电路对，其中3724与驱动源相连，3725与被驱动的绝缘栅器件相连，3724与3725之间由用户接入一个脉冲变压器，在UC3724中将PWM信号调制到约１MHz的载波上，送到隔离脉冲变压器的初级，次级输出信号在UC3725中通过直接整流得到自给电源，通过解调取得原PWM信号。
国内的单片式调制驱动器，有北京落木源的TX-KE系列驱动器。
变压器隔离、分时式自给电源驱动器
TX系列驱动器介绍
TX-KA系列IGBT驱动器
采用变压器隔离，工作频率比较高，具有较完善的保护功能，具有信号封锁功能。
保护功能比较完善，具有信号封锁功能，采用变压器隔离，次级采用分时自给电源，无需用户提供隔离电源。
种类较多，采用变压器隔离，次级采用分时自给电源，占空比可达5-95%，使用方便，价格较低廉，能驱动各种单管和半桥、双正激、同步整流电路中的双管，但一般不适用于很低频率的情况。
TX-KE系列MOSFET、IGBT驱动器
IGBT驱动器正常输出波形的测试
带保护功能的驱动器和驱动板，用户如要测试正常的静态(不加主电情况下)输出波形，需要注意以下几点：1、如果功率管IGBT或MOSFET已经连接在电路中了，则加上驱动电源和PWM输入信号，就可以在输出端用示波器看到相应的输出信号。
2、如果功率管没有接，只是在做一个输出测试，那么必须将应接功率管集电极和发射极(或漏极和源极)的两点予以短路才行。因为如果集电极或漏极悬空，那么驱动器或驱动板将认为功率管处于短路状态而启动内部的保护机制，这时看到的将是驱动器输出的保护信号波形，无论是波形形状还是周期都与输入的PWM信号完全不同。
IGBT驱动器短路保护功能的测试
IGBT在应用中要解决的主要问题就是如何在过流、短路和过压的情况下对IGBT实行比较完善的保护。过流故障一般需要稍长的时间才使电源过热，因此对它的保护都由主控制板来解决。过压一般发生在IGBT关断时，较大的di/dt在寄生电感上产生了较高的电压，这需要用缓冲电路来钳制，或者适当降低关断的速率。短路故障发生后瞬时就会产生极大的电流，很快就会损坏IGBT，主控制板的过流保护根本来不及，必须由驱动电路或驱动器立刻加以保护。因此驱动器的短路保护功能设计的是否完善，对电源的安全运行至关重要。拿到一个驱动电路，使用前先测试一下它的短路保护功能是否完善，是很有必要的。本文介绍两种测试方法。
图中PWM信号送到驱动器的信号输入端，故障后再启动电容Creset＝10nF，Dhv是高反压快恢复管，限流电阻Rlimit＝10－100R，电容C＝10－470uF。示波器可在驱动器的输入和输出端监测。如果不接Creset，则驱动器输出端输出的是约1ms的脉冲，也就是IGBT每1ms短路一次。考虑到有的IGBT在这种情况下时间长了仍有可能过热烧毁，接入10nF的Creset后，则为约12ms短路一次，保证了IGBT的安全。
过流动作阈值设置电阻Rn的选取，请根据所试驱动器说明中的关于Rn的说明和所试验IGBT的正向伏安特性曲线选取合适的阻值。
2、第二种测试方法
与第一种方法类似，只是不让IGBT始终保持短路，用手工来短路A、B两点。这种短路试验比第一种更严酷，对驱动器的要求也更高，因为手工短路，不可能一下接实，实际是一连串的通断过程。落木源的驱动器可以保证您的IGBT的安全。
注意：实验时一定注意人身安全，最好在工频输入处加一个隔离变压器。
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