摘要：在分析了IGBT 驅(qū)動(dòng)條件的基礎(chǔ)上介紹了幾種常見(jiàn)的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，并給出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。給出了自行設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的新型IGBT 驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)實(shí)踐表明，該電路經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全、可靠，同時(shí)具有IGBT 過(guò)電流保護(hù)功能，具有很好的應(yīng)用前景。

1 引言

絕緣門極雙極型晶體管(Isolated Gate Bipolar Transistor)簡(jiǎn)稱IGBT。也稱絕緣門極晶體管。由于IGBT 內(nèi)具有寄生晶閘管，所以也可稱作為絕緣門極晶閘管，它是八十年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合器件。由于它將MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，倍受歡迎，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有取代MOSFET和GTR 的趨勢(shì)。但在IGBT 實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是其柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的合理與否，在此我們自行設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單爾實(shí)用的驅(qū)動(dòng)電路，并取得了很好的效果。

2 IGBT 的驅(qū)動(dòng)條件

IGBT 的驅(qū)動(dòng)條件與它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。柵極的正偏壓+VGE、負(fù)偏壓-VGE 和柵極電阻RG 的大小，對(duì)IGBT 的通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路能力以及dVCE/dt等參數(shù)都有不同程度的影響。門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系如表1 所示。

表1 門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系

1、 正偏壓+VGE 的影響

當(dāng)VGS 增加時(shí)，通態(tài)電壓下降，IGBT 的開(kāi)通能量損耗下降，但是VGE 不能隨意增加，因?yàn)閂GE 增加到一定程度之后對(duì)IGBT 的負(fù)載短路能力及dVCE/dt 電流有不利影響。

2、 負(fù)偏壓-VGE 的影響

負(fù)偏壓也是很重要的門極驅(qū)動(dòng)條件，它直接影響IGBT 的可靠運(yùn)行。雖然-VGE 對(duì)關(guān)斷能耗沒(méi)有顯著影響，擔(dān)負(fù)偏壓的增高會(huì)使漏極浪涌電流明顯下降，從而避免過(guò)大的漏極浪涌電流使IGBT 發(fā)生不可控的擎住現(xiàn)象。

3、 門極電阻RG 的影響

門極電阻增加，使IGBT 的開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加，門極電阻減小又使di/dt 增大，可能引發(fā)IGBT 誤導(dǎo)通，同時(shí)RG 上的能耗也有所增加。所以通常RG 一般取十幾歐到幾百歐之間。

因此，為了使IGBT 能夠安全可靠得到通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路必須滿足一下條件：

由于是容性輸入阻抗，IGBT 對(duì)門極電荷集聚很敏感，因此要保證有一條低阻抗值得放電回路。

門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12—15V，負(fù)偏壓-2—-10V。

驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。

門極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，具有對(duì)IGBT 的自保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3 常見(jiàn)的IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

1、采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)IGBT

電路如圖1 所示，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用了廉價(jià)的脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)IGBT 主電路與控制電路的隔離。其性能的好壞取決于脈沖變壓器的制作，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏感抗，并采用高鐵氧體鐵心，最高工作頻率可達(dá)40KHz。

2、采用光耦合器及CMOS 驅(qū)動(dòng)IGBT

電路圖如圖2 所示，該電路自身帶過(guò)流保護(hù)功能，光耦合器將脈沖控制電路與驅(qū)動(dòng)電路隔離，4011 的四個(gè)與非門并聯(lián)工作提高了驅(qū)動(dòng)能力，互補(bǔ)晶體管V1、V2 降低驅(qū)動(dòng)電路阻抗，通過(guò)R1、C1 與R2、C2 獲得不同的正、反向驅(qū)動(dòng)電壓，以滿足各種IGBT 對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓的要求。該電路由于受光耦合器傳輸速度的影響，其工作頻率不能太高，同時(shí)受4011 型CMOS電路最高工作電壓的限制，使+VGE 和-VGE 的幅值相互牽制，并受到限制。

3、 用專用混合集成驅(qū)動(dòng)電路

目前，國(guó)外很多生產(chǎn)IGBT 器件的公司，為了解決IGBT 驅(qū)動(dòng)的可靠性問(wèn)題，紛紛推出IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路，如美國(guó)MOTOROLA 公司的MPD 系列、日本東芝公司的KT 系列、日本富士公司的EXB 系列等。這些驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高，速度快，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，但一般價(jià)格比較昂貴，對(duì)于普通用戶很難接受。

4 新型實(shí)用驅(qū)動(dòng)電路

該電路具有以下特點(diǎn)：

該電路能夠產(chǎn)生+15V 和-5V 電壓，保證了IGBT 的可靠導(dǎo)通與關(guān)斷。

該電路采用高速光耦實(shí)現(xiàn)了控制電路與主電路的隔離。

該電路具有IGBT 過(guò)電流保護(hù)功能，能夠有效的保護(hù)IGBT。

該電路采用推挽式輸出方式，從而降低了驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗。

適用于多種型號(hào)IGBT 的可靠驅(qū)動(dòng)。

電路圖如圖3 所示，采用由高速光耦H11L1、NPN 和PNP 型三極管組成推挽式輸出電路。變壓器副邊輸出交流18V 電壓，經(jīng)整流橋變成直流，470uF/50V 的電容濾波，作為IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓。當(dāng)IGBT 的電流小于設(shè)定過(guò)電流信號(hào)的時(shí)候，比較器負(fù)輸入端電壓小于正輸入端設(shè)定的電壓值，此時(shí)比較器輸出高電平。當(dāng)IGBT 的電流大于設(shè)定過(guò)電流信號(hào)的時(shí)候，比較器負(fù)輸入端電壓大于正輸入端設(shè)定的電壓值，此時(shí)比較器輸出低電平。當(dāng)比較器輸出信號(hào)與控制信號(hào)相與后送到高速光耦合器。正常情況下比較器輸出高電平，當(dāng)控制信號(hào)位高電平時(shí)，與門輸出高電平使光耦合器導(dǎo)通，晶體管N1 基極沒(méi)有電流而關(guān)斷，此時(shí)電流可經(jīng)R3、N2 的基射極、R6、Z3、Z4、Z2 形成三極管N2 的基極電流，N2 開(kāi)通，由于Z2 是15V 穩(wěn)壓管，輸出電壓嵌位在+15V，驅(qū)動(dòng)IGBT 導(dǎo)通;反之，黨控制脈沖信號(hào)為低電平時(shí)，與門輸出低電平使光耦合器截止，三極管N1 存在極基電流而導(dǎo)通，N1 的集電極電壓變低，N2截止，電流經(jīng)R4、Z4、R6、P1、N1 形成P1 管的極基電流，P1 導(dǎo)通，輸出電壓鉗位在-5V，使IGBT 關(guān)斷。當(dāng)IGBT 處于過(guò)電流狀態(tài)時(shí)，比較器輸出低電平，此時(shí)無(wú)論控制信號(hào)位高電平還是低電平，與門始終輸出低電平，由以上可知此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路一直輸出-5V 電壓而使IGBT 一直處于關(guān)斷狀態(tài)，從而對(duì)IGBT 的過(guò)電流進(jìn)行了有效的保護(hù)。

5 結(jié)論

該IGBT 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、實(shí)用，經(jīng)我們長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)證明，該電路經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全、可靠普遍適用于各種型號(hào)的IGBT，為普通的IGBT 用戶節(jié)省資金的情況下帶來(lái)了很大的方便。具有很大的應(yīng)用前景。

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