igbt驅動電路

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在今天的電力電子領域中已經得到廣泛的應用，在實際使用中除IGBT自身外，IGBT 驅動器的作用對整個換流系統(tǒng)來說同樣至關重要。驅動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導致 IGBT 和驅動器損壞。以下總結了一些關于IGBT驅動器輸出性能的計算方法以供選型時參考。

IGBT 的開關特性主要取決于IGBT的門極電荷及內部和外部的電阻。圖1是IGBT 門極電容分布示意圖，其中CGE 是柵極-發(fā)射極電容、CCE 是集電極-發(fā)射極電容、CGC 是柵極-集電極電容或稱米勒電容(Miller Capacitor)。門極輸入電容Cies 由CGE 和CGC 來表示，它是計算IGBT 驅動器電路所需輸出功率的關鍵參數。該電容幾乎不受溫度影響，但與IGBT集電極-發(fā)射極電壓VCE 的電壓有密切聯(lián)系。在IGBT數據手冊中給出的電容Cies 的值，在實際電路應用中不是一個特別有用的參數，因為它是通過電橋測得的，在測量電路中，加在集電極上C 的電壓一般只有25V(有些廠家為10V)，在這種測量條件下，所測得的結電容要比VCE=600V 時要大一些(如圖2)。由于門極的測量電壓太低(VGE=0V )而不是門極的門檻電壓，在實際開關中存在的米勒效應(Miller 效應)在測量中也沒有被包括在內，在實際使用中的門極電容Cin值要比IGBT 數據手冊中給出的電容Cies 值大很多。因此，在IGBT數據手冊中給出的電容Cies值在實際應用中僅僅只能作為一個參考值使用。

確定IGBT 的門極電荷

對于設計一個驅動器來說，最重要的參數是門極電荷QG(門極電壓差時的IGBT 門極總電荷)，如果在IGBT 數據手冊中能夠找到這個參數，那么我們就可以運用公式計算出:門極驅動能量 E = QG · UGE = QG · [ VG(on) - VG(off) ]

門極驅動功率 PG = E · fSW = QG · [ VG(on) - VG(off) ] · fSW

驅動器總功率 P = PG + PS(驅動器的功耗)

平均輸出電流 IoutAV = PG / ΔUGE = QG · fSW

最高開關頻率 fSW max. = IoutAV(mA) / QG(μC)

峰值電流IG MAX = ΔUGE / RG min = [ VG(on) - VG(off) ] / RG min

其中的 RG min = RG extern + RG intern

fsw max. : 最高開關頻率IoutAV :單路的平均電流QG : 門極電壓差時的 IGBT門極總電荷RG extern : IGBT 外部的門極電阻RG intern : IGBT 芯片內部的門極電阻但是實際上在很多情況下，數據手冊中這個門極電荷參數沒有給出，門極電壓在上升過程中的充電過程也沒有描述。這時候最好是按照 IEC 60747-9-2001 - Semiconductor devices -

Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)

所給出的測試方法測量出開通能量E，然后再計算出QG。

E = ∫IG · ΔUGE · dt= QG · ΔUGE

這種方法雖然準確但太繁瑣，一般情況下我們可以簡單地利用IGBT數據手

冊中所給出的輸入電容Cies值近似地估算出門極電荷:

如果IGBT數據表給出的Cies的條件為VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的認為Cin=4.5Cies，

門極電荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 4.5 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 4.5

Cies : IGBT的輸入電容(Cies 可從IGBT 手冊中找到)

如果IGBT數據表給出的Cies的條件為VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的認為Cin=2.2Cies，

門極電荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 2.2 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 2.2

Cies : IGBT的輸入電容(Cies 可從IGBT 手冊中找到)

如果IGBT數據手冊中已經給出了正象限的門極電荷曲線，那么只用Cies 近似計算負象限的門極電荷會更接近實際值:

門極電荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 4.5 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 4.5

-- 適用于Cies 的測試條件為 VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

門極電荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 2.2 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 2.2

-- 適用于Cies 的測試條件為 VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

當為各個應用選擇IGBT驅動器時，必須考慮下列細節(jié):

· 驅動器必須能夠提供所需的門極平均電流IoutAV 及門極驅動功率PG。驅動器的最大平均輸出電流必須大于計算值。

· 驅動器的輸出峰值電流IoutPEAK 必須大于等于計算得到的最大峰值電流。

· 驅動器的最大輸出門極電容量必須能夠提供所需的門極電荷以對IGBT 的門極充放電。在POWER-SEM 驅動器的數據表中，給出了每脈沖的最大輸出電荷，該值在選擇驅動器時必須要考慮。

另外在IGBT驅動器選擇中還應該注意的參數包括絕緣電壓Visol IO 和dv/dt 能力。

Rlimit =10~100Ω,C=10~470μF,Creset=10nF.

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

圖1所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側的P+ 區(qū)稱為漏注入區(qū)( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入區(qū)上的電極稱為漏極。

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子)，對N 一層進行電導調制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。

IGBT驅動電路是驅動IGBT模塊以能讓其正常工作，并同時對其進行保護的電路。

一、柵極電阻Rg的作用

1、消除柵極振蕩

絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射(或柵源)極之間是容性結構，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅動器驅動脈沖的激勵下要產生很強的振蕩，因此必須串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。

2、轉移驅動器的功率損耗

電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅動功率就將絕大部分消耗在驅動器內部的輸出管上，使其溫度上升很多。

3、調節(jié)功率開關器件的通斷速度

柵極電阻小，開關器件通斷快，開關損耗小;反之則慢，同時開關損耗大。但驅動速度過快將使開關器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產生較大的干擾，嚴重的將使整個裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。

二、柵極電阻的選取

1、柵極電阻阻值的確定

各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會有很大的差異。初試可如下選取:

不同品牌的IGBT模塊可能有各自的特定要求，可在其參數手冊的推薦值附近調試。

2、柵極電阻功率的確定

柵極電阻的功率由IGBT柵極驅動的功率決定，一般來說柵極電阻的總功率應至少是柵極驅動功率的2倍。

IGBT柵極驅動功率 P=FUQ，其中:

F 為工作頻率;

U 為驅動輸出電壓的峰峰值;

Q 為柵極電荷，可參考IGBT模塊參數手冊。

例如，常見IGBT驅動器(如TX-KA101)輸出正電壓15V，負電壓-9V，則U=24V，

假設 F=10KHz，Q=2.8uC

可計算出 P=0.67w ，柵極電阻應選取2W電阻，或2個1W電阻并聯(lián)。

三、設置柵極電阻的其他注意事項

1、盡量減小柵極回路的電感阻抗，具體的措施有:

a)驅動器靠近IGBT減小引線長度;

b) 驅動的柵射極引線絞合，并且不要用過粗的線;

c) 線路板上的 2 根驅動線的距離盡量靠近;

d) 柵極電阻使用無感電阻;

e) 如果是有感電阻，可以用幾個并聯(lián)以減小電感。

2、IGBT 開通和關斷選取不同的柵極電阻

通常為達到更好的驅動效果，IGBT開通和關斷可以采取不同的驅動速度，分別選取 Rgon和Rgoff(也稱 Rg+ 和 Rg- )往往是很必要的。

IGBT驅動器有些是開通和關斷分別輸出控制，只要分別接上Rgon和Rgoff就可以了。

有些驅動器只有一個輸出端，這就要在原來的Rg 上再并聯(lián)一個電阻和二極管的串聯(lián)網絡，用以調節(jié)2個方向的驅動速度。

3、在IGBT的柵射極間接上Rge=10-100K 電阻，防止在未接驅動引線的情況下，偶然加主電高壓，通過米勒電容燒毀IGBT。所以用戶最好再在IGBT的柵射極或MOSFET柵源間加裝Rge。

對于大功率IGBT，選擇驅動電路基于以下的參數要求:器件關斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關系見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門極負偏壓則對關斷特性的影響比較大。在門極電路的設計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問題(見表1)。

表1 IGBT門極驅動條件與器件特性的關系

由于IGBT的開關特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅動電路的變化而變化，因而驅動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對其驅動電路提出了以下要求。

1)向IGBT提供適當的正向柵壓。并且在IGBT導通后。柵極驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)。瞬時過載時，柵極驅動電路提供的驅動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓有關，在漏源電流一定的情況下，VGE越高，VDS儺就越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允許超過20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。

2)能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止狀態(tài)的IGBT加一反向柵壓(幅值一般為5~15 V)，使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。

3)具有柵極電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅動信號超出此范圍就可能破壞柵極。

4)由于IGBT多用于高壓場合。要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。所以驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。

5)IGBT的柵極驅動電路應盡可能的簡單、實用。應具有IGBT的完整保護功能，很強的抗干擾能力，且輸出阻抗應盡可能的低。