igbt驅(qū)動電路原理圖

GBT驅(qū)動電路的常見形式

（1）分立元件

由分立元件構(gòu)成的插接式IGBT驅(qū)動電路，在20世紀80年代由IGBT構(gòu)成的設(shè)備上被廣泛使用，分立元件的驅(qū)動電路的設(shè)計和應(yīng)用主要是受當(dāng)時電子元器件技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝的制約。但隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn)，這類分立元件插接式驅(qū)動電路，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成化程度低、故障率高已逐漸被淘汰。

（2）光耦合驅(qū)動電路

由光耦合器構(gòu)成的驅(qū)動電路具有線路簡單、可靠性高、開關(guān)性能好等特點，在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計中被廣泛采用。由于光耦合器的型號很多，所以選用的余地也很大。用于IGBT驅(qū)動電路中的光耦合器，選用較多的主要有東芝公司的’TLP系列、夏普公司的PC系列、惠普公司的HCPL系列等。

以東芝TJP系列光耦合器為例，驅(qū)動IGBT模塊的光耦合器主要采用的是TLP250，TLP251兩個型號。對于小電流（15A左右）的IGBT一般采用TLP251。外圍再甫佐以驅(qū)動電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡單的驅(qū)動電路。而對于中等電流（50A左右）的IGBT一般采用TLP250型號的光耦合器。而對于更大電流的IGBT，在設(shè)計驅(qū)動電路時一般采取在光耦合器驅(qū)動后面再增加一級放大電路，達到安全驅(qū)動IGBT模塊的目的。光耦合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時間（高速型光耦合器一般也大于500ns）；光耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。

（3）厚膜驅(qū)動電路

厚膜驅(qū)動電路是在阻容元件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路，它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動電路的各元件集成在一塊陶瓷，基片上，使之成為一個整體部件。使用厚膜驅(qū)動電路給設(shè)訐布線帶來了很大的方便，可提高整機的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時也加強了技術(shù)的保密性。現(xiàn)在的厚膜驅(qū)動電路集成了很多保護電路和檢測電路。

（4）專用集成驅(qū)動電路

目前已開發(fā)和應(yīng)用的專用的集成驅(qū)動電路，主要有IR公司的IR2111、IR2112、IR2113等，其他還有富士公司的EXB系列厚膜驅(qū)動電路。

此外，現(xiàn)在的一些歐美廠商在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計上采用了將高頻隔離變壓器加入到驅(qū)動電路中（如丹佛斯VLT系列變頻電源）。通過高頻變壓器對驅(qū)動電路電源及信號的隔離，增強了驅(qū)動電路的可靠性，同時也有效地防止了主電路出現(xiàn)故障時對控制電路的損壞。在實際的應(yīng)用中這種驅(qū)動電路故障率很低，大功率IGBT也極少出現(xiàn)問題。用脈沖變壓器隔離驅(qū)動IGBT有3種方法：

1）無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅(qū)動lGBT器件，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅(qū)動電源，但由于IGBT器件的柵極—發(fā)射極電容CGs一般較大，因而柵極—發(fā)射極間的波形VGE將有明顯變形，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，柏蘆睬-沖變壓器也有較大體積。

2）有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅(qū)動IGBT器件，雖然驅(qū)動波形好，但是需要另外提供隔漓的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當(dāng)，可能會引進寄生干擾。

3）自給電源方法的已有技術(shù)是對PWM驅(qū)動信號進行高頻（幾個MHz以上）調(diào)制，該信號加在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調(diào)制信號則需經(jīng)過解調(diào)取得，顯然，這種方法復(fù)雜，價格較高。

三種IGBT驅(qū)動電路

1、驅(qū)動電路EXB841/840

EXB841 工作原理如圖1，當(dāng)EXB841的14腳和15腳有10mA的電流流過1us以后IGBT正常開通，VCE下降至3V左右，6腳電壓被 鉗制在8V左右，由于VS1穩(wěn)壓值是13V，所以不會被擊穿，V3不導(dǎo)通，E點的電位約為20V，二極管VD截止，不影響V4和V5正常工作。

當(dāng) 14腳和15腳無電流流過，則V1和V2導(dǎo)通，V2的導(dǎo)通使V4截止、V5導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，引腳3電位下降至0V，是 IGBT柵一 射間承受5V左右的負偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C2的放電使得B點電位為0V，則V S1仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動作，IGBT正常關(guān)斷。

如有過流發(fā)生，IGBT的V CE過大使得VD2截止，使得VS1擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7放電，D點電位下降，從而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低 ，完成慢關(guān)斷，實現(xiàn)對IGBT的保護。由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，EXB841判定過電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE 有關(guān)，還和二極管VD2的導(dǎo)通電壓Vd有關(guān)。

典型接線方法如圖2，使用時注意如下幾點：

a、IGBT柵-射極驅(qū)動回路往返接線不能太長（一般應(yīng)該小于1m），并且應(yīng)該采用雙絞線接法，防止干擾。

b、由于IGBT集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG有利于其安全工作。但是柵極電阻RG不能太大也不能太小，如果 RG增大，則開通關(guān)斷時間延長，使得開通能耗增加;相反，如果RG太小，則使得di/dt增加，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。

c、圖中電容C用來吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化，并不是電源的供電濾波電容，一般取值為47 F。

d、6腳過電流保護取樣信號連接端，通過快恢復(fù)二極管接IGBT集電極。

e、14、15接驅(qū)動信號，一般14腳接脈沖形成部分的地，15腳接輸入信號的正端，15端的輸入電流一般應(yīng)該小于20mA，故在15腳前加限流電阻。

f、為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通，在柵射極加穩(wěn)壓二極管。

2、M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路

M57959L/M57962L厚膜驅(qū)動電路采用雙電源（+15V，- 10V）供電，輸出負偏壓為-10V，輸入輸出電平與TTL電平兼容，配有短 路/過載保護和 封閉性短路保護功能，同時具有延時保護特性。其分別適合于驅(qū)動1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A及其 以下的 IGBT.M57959L/M57962L在驅(qū)動中小功率的IGBT時，驅(qū)動效果和各項性能表現(xiàn)優(yōu)良，但當(dāng)其工作在高頻下時，其脈沖前后沿變的較差，即信 號的最大傳輸寬度受到限制。且厚膜內(nèi)部采用印刷電路板設(shè)計，散熱不是很好，容易因過熱造成內(nèi)部器件的燒毀。

日本三菱公司的M57959L集成IGBT專用驅(qū)動芯片它可以作為600V/200A或者1200V/100A的IGBT驅(qū)動。其最高頻率也達40KHz，采用雙電源 供電（+15V和-15V）輸出電流峰值為±2A，M57959L有以下特點：

（1） 采用光耦實現(xiàn)電器隔離，光耦是快速型的，適合20KHz左右的高頻開關(guān)運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻，可將5V電壓直接加到輸入 側(cè)。

（2） 如果采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，輸出負柵壓比較高，電源電壓的極限值為+18V/-15V，一般取+15V/-10V。

（3） 信號傳輸延遲時間短，低電平-高電平的傳輸延時以及高電平-低電平的傳輸延時時間都在1.5μs以下。

（4） 具有過流保護功能。M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L就會將對IGBT實施軟關(guān)斷，并輸出過 流故障信號。

（5） M57959的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，這一電路的驅(qū)動部分與EXB系列相仿，但是過流保護方面有所不同。過流檢測仍采用電壓采樣，電路特 點是采用柵壓緩降，實現(xiàn)IGBT軟關(guān)斷。

避免了關(guān)斷中過電壓和大電流沖擊，另外，在關(guān)斷過程中，輸入控制信號的狀態(tài)失去作用，既保護關(guān)斷是在封閉狀態(tài)中完成的。當(dāng)保護開始時，立即送出故障信號，目的是切斷控制信號，包括電路中其它有源器件。

3、SD315A集成驅(qū)動模塊

集成驅(qū)動模塊采用+15V單電源供電，內(nèi)部集成有過流保護電路，其最大的特點是具 有安全性、智能性與易用性。2SD315A能輸出很大的峰 值電流（最大瞬時輸出電流可達±15A），具有很強的驅(qū)動能力和很高的隔離電壓能力（4000V）。2SD315A具有兩個驅(qū)動輸出通道，適合于驅(qū) 動等級為1200V/1700V極其以上的兩個單管或一個半橋式的雙單元大功率IGBT模塊。其中在作為半橋驅(qū)動器使用的時候，可以很方便地 設(shè)置死區(qū)時間。

2SD315A內(nèi)部主要有三大功能模塊構(gòu)成，分別是LDI（Logic To Driver Interface，邏輯驅(qū)動轉(zhuǎn)換接口）、IGD（Intelligent Gate Driver，智能門極驅(qū)動）和輸入與輸出相互絕緣的DC/DC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)外部輸入PWM信號后，由LDI進行編碼處理，為保證信號不受外界條件的 干擾，處理過的信號在進入IGD前需用高頻隔離變壓器進行電氣隔離。從隔離變壓器另一側(cè) 接收到的信號首先在IGD單元進行解碼，并把解碼后的PWM信號進行放大（±15V/±15A）以驅(qū)動外接大功率IGBT。當(dāng)智能門極驅(qū)動單元IGD內(nèi)的 過流和短路保護電路檢測到IGBT發(fā)生過流和短路故障時，由封鎖時間邏輯電路和狀態(tài)確認電路產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)時間和封鎖時間，并把此時的狀態(tài)信號進行編碼送 到邏輯控制單元LDI。LDI單元對傳送來的IGBT工作狀態(tài)信號進行解碼處理，使之在控制回路中得以處理。為防止2SD315A的兩路輸出驅(qū)動信號相互 干擾，由DC/DC轉(zhuǎn)換器提供彼此隔離的電源供電。

分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動電路

通常設(shè)計的驅(qū)動電路多為采用脈沖變壓器耦合，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，適用于中小功率變換設(shè)備中的IGBT。缺點是不適用于大型功率變換設(shè)備中的大功率IGBT器件，脈沖變壓器耦合驅(qū)動電路存在波形失真、容易振蕩，尤其是脈沖變壓器耦合不良、漏感偏大時更為嚴重，抗干擾與抑制誤觸能力低。并因其是一種無源驅(qū)動器而不適應(yīng)高頻大功率IGBT器件。

圖1a所示的驅(qū)動電路適合于驅(qū)動低頻小功率IGBT，當(dāng)控制信號Vi為高電平時，Vl導(dǎo)通，輸出Vo對應(yīng)控制的開關(guān)管（IGBT）導(dǎo)通；當(dāng)控制信號Vi為低電平時，V2導(dǎo)通，輸出Vo對應(yīng)控制的開關(guān)管（IGBT）被關(guān)斷。

圖1b所示的驅(qū)動電路是采用場效應(yīng)管組成推挽電路，其工作原理同圖1a，這種電路高頻峰值驅(qū)動電流可達10A以上，適用于大功率IGBT器件。

圖2所示的驅(qū)動保護二合一電路適用于驅(qū)動低頻小功率IGBT，如果將雙極型NPN與PNP三極管換成N溝道與P溝道大功率場管后就可構(gòu)成高頻大電流驅(qū)動器。

圖2 驅(qū)動保護二合一電路

在圖2所示的驅(qū)動保護二合一電路中，不采用光耦合器作信號隔離而用磁環(huán)變壓器耦合方波信號，因光耦合器的速度不夠快，并存在光耦合器的上升下降波沿延時，采用變壓器傳輸可獲得陡直上升下降波沿，幾乎沒有傳輸延時。適用于驅(qū)動高頻大功率的IGBT器件。本電路具有驅(qū)動速度快，過流保護動作快，是比較理想的驅(qū)動保護二合一實用IGBT驅(qū)動電路。

在圖2所示驅(qū)動保護二合一電路基礎(chǔ)上增加軟關(guān)斷技術(shù)的驅(qū)動電路如圖4所示。

圖5所示驅(qū)動電路為采用光耦合器等分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動電路。當(dāng)輸入控制信號時，光耦合器VLC導(dǎo)通，晶體管V2截止，V3導(dǎo)通輸出+15V驅(qū)動電壓。當(dāng)輸入控制信號為零時，VLC截止，V2、Ⅵ導(dǎo)通，輸出-10V電壓。+15V和-10V電源需靠近驅(qū)動電路，驅(qū)動電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發(fā)射極的引線應(yīng)采用雙絞線，長度最好不超過0.5m。在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：

1） IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動電路輸出端應(yīng)設(shè)有柵極過電壓保護電路，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或電阻。并聯(lián)穩(wěn)壓二極管的缺陷是增加等效輸人電容Cin，從而影響開關(guān)速度，并聯(lián)電阻的缺陷是減小輸入阻抗，增大驅(qū)動電流，使用時應(yīng)根需要取舍。

2） 盡管IGBT所需驅(qū)動功率很小，但由于MOSFET存在輸入電容Cin，開關(guān)過程中需要對電容充放電，因此驅(qū)動電路的輸出電流應(yīng)足夠大。假定導(dǎo)通驅(qū)動時，在上升時間tr內(nèi)線性地對MOSFET輸入電容Cin充電，則驅(qū)動電流為IGE=Cin×VGS/tr，其中可取tr=2.2RCin，R為輸入回路電阻。

3） 為可靠關(guān)閉IGBT，防止鎖定效應(yīng)，要給柵極加一負偏壓，因此應(yīng)采用雙電源為驅(qū)動路供電。

專用的混合集成IGBT驅(qū)動電路

在分立式IGBT驅(qū)動電路中，分立元件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、保護電路復(fù)雜、可靠性和性能都比較差，因此在實際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成驅(qū)動電路。常用的有三菱公司的M597系列（如M57962L和M57959L）、富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）、東芝公司的TLP系列、法國湯姆森公司的VA4002集成電路等應(yīng)用都很廣泛。同一系列的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用被驅(qū)動器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。

在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相關(guān)的性能控制，通過檢測直流母線上流入逆變橋的直流電流即可，如變頻器中的自動轉(zhuǎn)矩補償、轉(zhuǎn)差率補償?shù)?。同時，這一檢測結(jié)果也可以用來完成對逆變單元中IGBT實現(xiàn)過流保護等功能。因此在這種逆變器中，對IGBT驅(qū)動電路的要求相對比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅(qū)動芯片主要有東芝公司生產(chǎn)的TIP250，夏普公司生產(chǎn)的PC923等。TLP250包含一個GaAIAs發(fā)光二極管和一個集成光檢測器，8腳雙列封裝結(jié)構(gòu)。TLP250的典型特征如下：

1）輸入閾值電流（IF）：5mA（最大）。

2）電源電流（Icc）：llmA（最大）。

3）電源電壓（Vcc）：10~35V。

4）開關(guān)時間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）。

5）隔離電壓：2500Vpms（最?。?/p>

使用TLP250時應(yīng)在引腳8和5問連接一個0.1μF的陶瓷電容來穩(wěn)定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關(guān)性能，電容和光耦合器之間的引線長度不應(yīng)超過lcm。TLP250使用特點如下：

1） TLP250輸出電流較小，對較大功率IGBT實施驅(qū)動時，需要外加功率放大電路。

2） 由于流過IGBT的電流是通過其他電路檢測來完成的，而且僅檢測流過IGBT的電流，這就有可能對于IGBT的使用效率產(chǎn)生一定的影響，比如IGBT在安全工作區(qū)時，有時出現(xiàn)的提前保護等。

3） 要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應(yīng)要快，一般由過電流發(fā)生到IGBT可靠關(guān)斷應(yīng)在10μs以內(nèi)完成。

4） 當(dāng)過電流發(fā)生時，TLP250得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號，對IGBT的柵極施加一負電壓，使IGBT硬關(guān)斷。這種主電路的dv/dt比正常開關(guān)狀態(tài)下大了許多，造成了施加于IGBT兩端的電壓升高很多，有時就可能造成IGBT的擊穿。

由集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動電路如圖6所示。TLP250內(nèi)置光耦合器的隔離電壓可達2500V，上升和下降時間均小于0 5μs，輸出電流達0.5A，可直接驅(qū)動50A/1200V以內(nèi)的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅(qū)動電流容量更大的IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動器體積小，價格便宜，是不帶過電流保護的IGBT驅(qū)動器中較理想的產(chǎn)品。由于TLP250不具備過電流保護功能，當(dāng)IGBT過電流時，通過控制信號關(guān)斷IGBT，IGBT中電流的下降很陡，且有一個反向的沖擊。這將會產(chǎn)生很大的di/dt和開關(guān)損耗，而且對控制電路的過流保護功能要求很高。