IGBT驱动电路设计原理接线图
IGBT驱动电路设计原理接线图
作者：德意志⼯业时间：2015-04-13 11:11
IGBT驱动电路的作⽤
IGBT驱动电路的作⽤是驱动IGBT模块以能让其正常⼯作，同时对IGBT模块进⾏保护。IGBT 驱动电路的作⽤对整个IGBT构成的系统来说⾄关重要。IGBT是电路的核⼼器件，它可在⾼压下导通，并在⼤电流下关断，在硬开关桥式电路中，功率器件IGBT能否正确可靠地使⽤起着⾄关重要的作⽤。驱动电路就是将控制电路输出的PWM信号进⾏功率放⼤，以满⾜驱动IGBT的要求，驱动电路设计的是否合理直接关系到IGBT的安全、可靠使⽤。IGBT驱动电路还为IGBT器件提供门极过压、短路保护、过流保护、过温保护、Vce过压保护（有源钳位）、门极⽋压保护，didt保护（短路过流保护的⼀种）。
IGBT驱动电路的设计
1. 设计IGBT驱动电路需要考虑的性能参数
1）IGBT在电路中承受的正反向峰值电压，可以由下⾯的公式导出：
设计驱动电路时需要考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为1200V。
2）在电路中IGBT导通时需要承受的峰值电流，可以由下⾯的公式导出：
2.IGBT驱动器的选择
在实际电路中，栅极电阻的选择要考虑开关速度的要求和损耗的⼤⼩。栅极电阻也不是越⼩越好，当栅极电阻很⼩时，IGBT的CE间电压尖峰过⼤栅极电阻很⼤时，⼜会增⼤开关损耗。所以，选择IGBT驱动器时要在尖峰电压能够承受的范围内适当减⼩栅极电阻。由于电路中的杂散电感会引起开关状态下电压和电流的尖峰和振铃，在实际的驱动电路中，连线要尽量短，并且驱动电路和吸收电路应布置在同⼀个PCB板上，同时在靠近IGBT的GE间加双向稳压管，以箝位引起的耦合到栅极的电压尖峰。
对于⼤功率IGBT，设计和选择驱动基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的⼤⼩，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能⼒以及dv／dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅
极正电压的变化对IGBT的开通特性、负载短路能⼒和dVcE／dt 电流有较⼤影响，⽽门极负偏压则对关断特性的影响⽐较⼤。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能⼒和由dVcE／dt 电流引起的误触发等问题（见下图）。
3.IGBT驱动电路的设计模块电源图片
隔离驱动产品⼤部分是使⽤光电耦合器来隔离输⼊的驱动信号和被驱动的绝缘栅，采⽤厚膜或PCB⼯艺⽀撑，部分阻容元件由引脚接⼊。这种产品主要⽤于IGBT的驱动，因IGBT具有电流拖尾效应，所以光耦驱动器⽆⼀例外都是负压关断。下⾯我们就以M57962L来为基础设计相关的驱动电路！
下图为M57962L驱动器的内部结构框图，采⽤光耦实现电⽓隔离，光耦是快速型的，适合⾼频开关运⾏，光耦的原边已串联限流电阻（约185 Ω），可将5 V的电压直接加到输⼊侧。它采⽤双电源驱动结构，内部集成有2 500 V⾼隔离电压的光耦合器和过电流保护电路、过电流保护输出信号端⼦和与TTL电平相兼容的输⼊接⼝，驱动电信号延迟最⼤为1.5us。
当单独⽤M57962L来驱动IGBT时。有三点是应该考虑的。⾸先。驱动器的最⼤电流变化率应设置在最⼩的RG电阻的限制范围内，因为对许多IGBT来讲，使⽤的RG 偏⼤时，会增⼤td（on ）（导通延迟时间），t d（off）（截⽌延迟时间），tr（上升时间）和开关损耗，在⾼频应⽤（超过5 kHz）时，这种损耗应尽量避免。另外。驱动器本⾝的损耗也必须考虑。
如果驱动器本⾝损耗过⼤，会引起驱动器过热，致使其损坏。最后，当M57962L被⽤在驱动⼤容量的IGBT时，它的慢关断将会增⼤损耗。引起这种现象的原因是通过IGBT的Gres（反向传输电容）流到M5
7962L栅极的电流不能被驱动器吸收。它的阻抗不是⾜够低，这种慢关断时间将变得更慢和要求更⼤的缓冲电容器应⽤M57962L设计的驱动电路如下图。
电路说明：电源去耦电容C2 ～C7采⽤铝电解电容器，容量为100 uF／50 V，R1阻值取1
kΩ，R2阻值取1.5kΩ，R3取5.1 kΩ，电源采⽤正负l5 V电源模块分别接到M57962L的4脚与6脚，逻辑控制信号IN经l3脚输⼊驱动器M57962L。双向稳压管Z1选择为9.1 V，Z2为18V，Z3为30 V，防⽌IGBT的栅极、发射极击穿⽽损坏驱动电路，⼆极管采⽤快恢复的FR107管。
多电路输出的IGBT驱动设计
⼯作原理为：PWM控制芯⽚输出的两路反相PWM 信号经元件组成的功率放⼤电路放⼤之后，再经脉冲变压器隔离耦合输出4路驱动信号。4路驱动信号根据触发相位分为相位相反的两组。驱动信号1与驱动信号3同相位，驱动信号2与驱动信号４同相位。该电路采⽤脉冲变压器实现了被控IGBT⾼电压主回路与控制回路的可靠隔离，IGBT 的GE间的稳压管⽤于防⽌⼲扰产⽣过⾼的ＵＧＥ⽽损坏IGBT的控制极。与MOSFET⼀样，负偏压可以防⽌母线过⾼ｄｕ／ｄｔ造成门极误导通。但只要控制好母线电压瞬态过冲，可不需要IGBT的负偏压。此电路中，脉冲变压器次级接相应电路将驱动波形的负脉冲截去，⼤⼤减少了驱动电路的功耗。
由于IGBT的开关特性和安全⼯作区随着栅极驱动电路的变化⽽变化，因⽽驱动电路性能的好坏将直接影响IGBT能否正常⼯作。为使IGBT能可靠⼯作。IGBT驱动电路需要满⾜以下要求：
1．提供⼀定的正向和反向驱动电压，使IGBT能可靠地开通和关断。
2．提供⾜够⼤的瞬时驱动功率或瞬时驱动电流，使IGBT能及时迅速地建⽴栅控电场⽽导通。 3．具有尽可能⼩的输⼊、输出延迟时间，以提⾼⼯作频率。
4．⾜够⾼的输⼊输出电⽓隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。
5．具有灵敏的过电流保护能⼒。
IGBT驱动电路设计的趋势
集成化模块构成的IGBT栅控电路因其性能可靠、使⽤⽅便，从⽽得到了普遍应⽤，也是驱动电路的发展⽅向。各⼤公司均有不同系列的IGBT驱动模块，其基本功能类似，各项控制性能也在
不断提⾼。例如富⼠公司的EXB系列驱动模块内部带有光耦合器件和过电流保护电路，它的功能如下图所⽰。
EXB系列驱动模块与IGBT之间的外部接⼝电路如下图所⽰。驱动信号经过外接晶体管的放⼤，由管脚14和管脚15输⼊模块。过电流保护信号由测量反映元件电流⼤⼩的通态电压vCE 得出，再经过外接的光耦器件输出，过电流时使IGBT⽴即关断。⼆只33uF的外接电容器⽤于吸收因电源接线所引起的供电电压
的变化。管脚1和管脚3的引线分别接到IGBT的发射极E和门极G，引线要尽量短，并且应采⽤绞合线，以减少对栅极信号得到⼲扰。图中D为快速恢复⼆极管。
由于IGBT在发⽣短路后是不允许过快地关断，因为此时短路电流已相当⼤，如果⽴即过快关断会造成很⼤的di/dt，这在线路分布电感的作⽤下会在IGBT上产⽣过⾼的冲击电压，极易损坏元件。所以在发⽣短路后，⾸先应通过减⼩栅极正偏置电压，使短路电流得以抑制，接着再关断IGBT，这就是所谓“慢关断技术”，这⼀功能在某些公司⽣产的模块中已有应⽤。
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