IGBT驅(qū)動(dòng)的作用與原理

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的作用主要是將單片機(jī)脈沖輸出的功率進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT功率器件的目的。在保證IGBT器件可靠、穩(wěn)定、安全工作的前提，驅(qū)動(dòng)電路起到至關(guān)重要的作用。IGBT是MOSFET管與雙極晶體管的復(fù)合器件，既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET管與功率晶體管之間，可正常工作于數(shù)十千赫茲的頻率范圍內(nèi)。為了讓IGBT安全、可靠地工作，其柵極應(yīng)連接與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路。IGBT驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)功能， 實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離;提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。

一、驅(qū)動(dòng)電路的要求
(1)、提供適當(dāng)?shù)恼聪螂妷?，使IGBT能可靠地開通和關(guān)斷。當(dāng)正偏壓增大時(shí)IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但若ce過大，則負(fù)載短路時(shí)其c隨ce增大而增大，對(duì)其安全不利，使用中選GE《15V為好。負(fù)偏電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般選UGE -- 5V為宜。
(2)、IGBT的開關(guān)時(shí)間應(yīng)綜合考慮。快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下，IGBT的開頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_斷和關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。
(3)、IGBT開通后，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和而損壞。
(4)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的電阻G對(duì)工作性能有較大的影響，G較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損20耗；Rc較小，會(huì)引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損壞。Rc的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐～幾十歐，小容量的IGBT其Rc值較大。
(5)、驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及對(duì)IGBT的保護(hù)功能。IGBT的控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路等應(yīng)與其高速開關(guān)特性相匹配，另外，在未采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施情況下，G -- E斷不能開路。

二、常見IGBT驅(qū)動(dòng)電路
1、脈沖變壓器式

圖1 采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)IGBT

該方式是利用變壓器的工作原理，由次級(jí)感應(yīng)電壓直接驅(qū)動(dòng)IGBT，如上圖1所示。由于變壓器具有阻抗變換與隔離作用，所以這種驅(qū)動(dòng)方式不僅簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路，還解決了驅(qū)動(dòng)電路的供電與 IGBT不共地的連接問題。

2、采用光耦合器及CMOS 驅(qū)動(dòng)IGBT

圖2 采用光耦合器及CMOS 驅(qū)動(dòng)IGBT
電路如上圖2所示，該電路自身帶過流保護(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。

三、IGBT參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的要求
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、開關(guān)時(shí)間、開關(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：
（1）、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。
（2）、門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12-15V，負(fù)偏壓-2--10V。
（3）、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。
（4）、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。