IGBT驱动原理.doc

-作者xxxx-日期xxxxIGBT驱动原理【精品文档】 IGBT驱动原理目 录一、 简介 二、 工作原理三、 技术现状 四、 测试方法五、 选取方法简介：绝缘栅双极晶体管 IGBT 是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管 GTR 和功率场效应管MOSFET 的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高 (10-40 kHz) 的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、 UPS 及逆变焊机当中。 IGBT 的驱动和保护是其应用中的关键技术。  1 IGBT 门极驱动要求1.1 栅极驱动电压因 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动，但 IGBT 的输入电容较 MOSFET 大，所以 IGBT 的驱动偏压应比 MOSFET 驱动所需偏压强。图 1 是一个典型的例子。在 +20 情况下，实测 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为 5 6 V ，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取 Ugc (1.5 3)Uge(th) ，当 Uge 增加时，导通时集射电压 Uce 将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中 Uge 增加，集电极电流 Ic 也将随之增加，使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此 Ugc 的选择不应太大，这足以使 IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力 ( 在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用 IGBT 时， +Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力 ) 。1.2 对电源的要求对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于 IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使 IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止 IGBT 关断时产生的 du/dt 误使 IGBT 导通，应加上一个 -5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断 ( 过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿，一般为 -2 10 V 之间 ) 。1.3 对驱动波形的要求从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使 IGBT 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在 IGBT 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下， IGBT 过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压 Ldi/dt ，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成 IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及 du/dt 吸收电路性能综合考虑。1.4 对驱动功率的要求由于 IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：I GP = U ge /R G +R g ；式中 Uge=+Uge+|Uge| ； RG 是 IGBT 内部电阻； Rg 是栅极电阻。驱动电源的平均功率为：P AV =C ge Uge 2 f,式中 f 为开关频率； Cge 为栅极电容。1.5 栅极电阻为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小 IGBT 集电极的电压尖峰，应在 IGBT 栅极串上合适的电阻 Rg 。当 Rg 增大时， IGBT 导通时间延长，损耗发热加剧； Rg 减小时， di/dt 增高，可能产生误导通，使 IGBT 损坏。应根据 IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取 Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间 ( 在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整 ) 。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏 IGBT ，建议在栅射间加入一电阻 Rge ，阻值为 10 k 左右。1.6 栅极布线要求合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护 IGBT 正常工作有很大帮助。a 布线时须将驱动器的输出级和 lGBT 之间的寄生电感减至最低 ( 把驱动回路包围的面积减到最小 ) ；b 正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合；c 应使用辅助发射极端子连接驱动电路；d 驱动电路输出不能和 IGBT 栅极直接相连时，应使用双绞线连接 (2 转/ cm) ；e 栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。1.7 隔离问题由于功率 IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离，主要的途径及其优缺点如表 1 所示。表1 驱动电路与控制电路隔离的途径及优缺点利用光电耦合器进行隔离优点：体积小、结构简单、应用方便、输出脉宽不受限制，适用于 PWM 控制器缺点1 、共模干扰抑制不理想2 、响应速度慢，在高频状态下应用受限制3 、需要相互隔离的辅助电源利用脉冲变压器进行隔离优点：响应速度快，共模干扰抑制效果好缺点：1 、信号传送的最大脉冲宽度受磁芯饱和特性的限制，通常不大于 50 %，最小脉宽受磁化电流限制2 、受漏感及集肤影响，加工工艺复杂2 典型的门极驱动电路介绍2.1 脉冲变压器驱动电路脉冲变压器驱动电路如图 2 所示， V1 V4 组成脉冲变压器一次侧驱动电路，通过控制 V1 、 V4 和 V2 、 V3 的轮流导通，将驱动脉冲加至变压器的一次侧，二次侧通过电阻 R1 与 IGBT5 栅极相连， R1 、 R2 防止 IGBT5 栅极开路并提供充放电回路， R1 上并联的二极管为加速二极管，用以提高 IGBT5 的开关速度，稳压二极管 VS1 、 VS2 的作用是限制加在 IGBT5g-e 端的电压，避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过 20 V 。  图 2 脉冲变压器驱动电路光耦隔离驱动电路光耦隔离驱动电路如图 3 所示。由于 IGBT 是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由 PWM 控制器输出的方波信号加在三极管 V1 的基极， V1 驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路 IC1 ，经 IC1 放大后驱动由 V2 、 V3 组成的对管 (V2 、 V3 应选择 >100 的开关管 ) 。对管的输出经电阻 R1 驱动 IGBT4 ， R3 为栅射结保护电阻， R2 与稳压管 VS1 构成负偏压产生电路， VS1 通常选用 1 W/5.1 V 的稳压管。此电路的特点是只用 1 组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。  图 3 光耦隔离驱动电路2.3 驱动模块构成的驱动电路应用成品驱动模块电路来驱动 IGBT ，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动 IGBT 可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。HCPL316J典型电路如图 4 所示。  图 4 由驱动模块构成的驱动电路HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ，光耦隔离， COMS/TTL 电平兼容，过流软关断，最大开关速度 500 ns ，工作电压 15 30 V ，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。HCPL316J 输入、输出部分各自排列在集成电路的两边，由 PWM 电路产生的控制信号加在 316j 的第 1 脚，输入部分需要 1 个 5 V 电源， RESET 脚低电平有效，故障信号输出由第 6 脚送至 PWM 的关闭端，在发生过流情况时及时关闭 PWM 输出。输出部分采用 +15 V 和 -5 V 双电源供电，用于产生正负脉冲输出， 14 脚为过流检测端，通过二极管 VDDESAT 检测 IGBT 集电极电压，在 IGBT 导通时，如果集电极电压超过 7 V ，则认为是发生了过流现象， HCPL316J 慢速关断 IGBT ，同时由第 6 脚送出过流信号。3、 结语通过对 IGBT 门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍，使大家对 IGBT 的应用有一定的了解。可作为设计 IGBT 驱动电路的参考。工作原理：驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致 IGBT 和驱动器损坏。以下总结了一些关于IGBT驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。igbt驱动电路是驱动igbt模块以能让其正常工作，并同时对其进行保护的电路。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。因此，在IGBT数据手册中给出的电容Cies值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用。IGBT 的开关特性主要取决于IGBT的门极电荷及内部和外部的电阻现有技术现状：开关电源中大功率器件驱动电路的设计一向是电源领域的关键技术之一。普通大功率三极管和绝缘栅功率器件(包括VMOS场效应管和IGBT绝缘栅双极性大功率管等),由于器件结构的不同,具体的驱动要求和技术也大不相同。前者属于电流控制器件,要求合适的电流波形来驱动;后者属于电场控制器件,要求一定的电压来驱动。本文只介绍后者的情况。VMOS场效应管(以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件)的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过,因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容Cgs，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之内,对于大功率的绝缘栅功率器件,由于栅极电容Cgs较大，在1-100nF,甚至更大,因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容Cdg,栅极驱动功率是不可忽视的。为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些优秀的驱动集成电路，如IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般有两种途径：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是：A.反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大，因而栅源间的波形Vgs将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积。有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频(1MHz以上)调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单, 价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。分时式自给电源技术，是国内的发明专利技术，其特点是变压器在输入PWM信号的上升和下降沿只传递PWM信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量，因而波形失真很小。这种技术的缺点是占空比一般只能达到595%。市场驱动器简介：当前市场上的成品驱动器,按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分,可分为直接驱动和隔离驱动两种,其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。不隔离的直接驱动器:在Boost、全波、正激或反激等电路中，功率开关管的源极位于输入电源的下轨，PWM IC输出的驱动信号一般不必与开关管隔离，可以直接驱动。如果需要较大的驱动能力,可以加接一级放大器或是串上一个成品驱动器。直接驱动的成品驱动器一般都采用薄膜工艺制成IC电路，调节电阻和较大的电容由外引脚接入。目前的成品驱动器种类不少，如TI公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，Onsemi公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR公司的IR21XX系列，等等，种类繁多。 使用光电耦合器的隔离驱动器:隔离驱动产品绝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器件，采用厚膜工艺制成HIC电路，部分阻容元件也由引脚接入。目前市售的光电耦合型驱动器产品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI公司的M579XX系列等M579XX系列、国内的TX-KA系列等。此类产品，由于光电耦合器的速度限制，一般工作频率都在50KHz以下(TX-KA101可达80K)。它们的优点是，大部分具有过流保护功能，其过电流信号是从IGBT的管压降中取得的；共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源，因而使用较为麻烦。由于成本问题，该类产品价格稍高，因此只适用于在大功率电源中驱动IGBT模块，在中小功率领域难以推广使用。变压器隔离、一路电源输入，自带DC/DC辅助电源的驱动器:目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22等，使用两个脉冲变压器传递半桥驱动信号，需要一路电源输入，自带一个DC/DC电源提供驱动所需的两个辅助电源输出的驱动信号质量不错，驱动能力也很强，但由于结构复杂，因而体积较大，价格不菲，只适用于特大功率电源中。上述两种驱动板的信号传递采用的是调制技术。变压器隔离、调制式自给电源驱动器:调制式自给电源驱动器，采用变压器进行电气隔离，通过载频传递驱动所需要的能量，通过调制信号传递PWM信息，因此可以通过0100%占空比的PWM信号。目前的许多驱动板产品都采用这种技术，如西门康的SKHI27等。单片式的调制驱动器，目前国外还未见有产品出售。但有一种2片组合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成电路对，其中3724与驱动源相连，3725与被驱动的绝缘栅器件相连，3724与3725之间由用户接入一个脉冲变压器，在UC3724中将PWM信号调制到约1MHz的载波上，送到隔离脉冲变压器的初级，次级输出信号在UC3725中通过直接整流得到自给电源，通过解调取得原PWM信号。国内的单片式调制驱动器，有TX-KE系列，特点是除无需用户提供辅助电源外，还具有隔离电压高的特点，但是价格较高。变压器隔离、分时式自给电源驱动器:分时式自给电源驱动器产品的优点是：价格便宜，大中小功率的电源都可应用；驱动器自身不需要单独的供电电源，简化了电路；输出驱动脉冲的延迟很少，上升和下降沿也相当陡峭；工作频率较高；并且可在占空比5-95%的范围内工作。分时式自给电源驱动器的缺点是：当工作频率较低时变压器的体积较大，厚膜化困难，由于自给电源提供的能量有限、难以驱动300A/1200V以上的IGBT。测试方法：输出波形带保护功能的驱动器和驱动板，用户如要测试正常的静态(不加主电情况下)输出波形，需要注意以下几点：1、如果功率管IGBT或MOSFET已经连接在电路中了，则加上驱动电源和PWM输入信号，就可以在输出端用示波器看到相应的输出信号。2、如果功率管没有接，只是在做一个输出测试，那么必须将应接功率管集电极和发射极(或漏极和源极)的两点予以短路才行。因为如果集电极或漏极悬空，那么驱动器或驱动板将认为功率管处于短路状态而启动内部的保护机制，这时看到的将是驱动器输出的保护信号波形，无论是波形形状还是周期都与输入的PWM信号完全不同。短路保护IGBT在应用中要解决的主要问题就是如何在过流、短路和过压的情况下对IGBT实行比较完善的保护。过流故障一般需要稍长的时间才使电源过热，因此对它的保护都由主控制板来解决。过压一般发生在IGBT关断时，较大的di/dt在寄生电感上产生了较高的电压，这需要用缓冲电路来钳制，或者适当降低关断的速率。短路故障发生后瞬时就会产生极大的电流，很快就会损坏IGBT，主控制板的过流保护根本来不及，必须由驱动电路或驱动器立刻加以保护。因此驱动器的短路保护功能设计的是否完善，对电源的安全运行至关重要。拿到一个驱动电路，使用前先测试一下它的短路保护功能是否完善，是很有必要的。本文介绍两种测试方法。1、第一种测试方法图中PWM信号送到驱动器的信号输入端，故障后再启动电容Creset=10nF，Dhv是高反压快恢复管，限流电阻Rlimit=10100R，电容C=10470uF。示波器可在驱动器的输入和输出端监测。如果不接Creset，则驱动器输出端输出的是约1ms的脉冲，也就是IGBT每1ms短路一次。考虑到有的IGBT在这种情况下时间长了仍有可能过热烧毁，接入10nF的Creset后，则为约12ms短路一次，保证了IGBT的安全。过流动作阈值设置电阻Rn的选取，请根据所试驱动器说明中的关于Rn的说明和所试验IGBT的正向伏安特性曲线选取合适的阻值。在单管电路的开关电源中，接入适当的Creset后，可以省去通常的短路信号反馈光耦。2、第二种测试方法与第一种方法类似，只是不让IGBT始终保持短路，用手工来短路A、B两点。这种短路试验比第一种更严酷，对驱动器的要求也更高，因为手工短路，不可能一下接实，实际是一连串的通断过程。注意：实验时一定注意人身安全，最好在工频输入处加一个隔离变压器。典型IGBT驱动芯片的测试电路原理图驱动片位置焊一个 40 线的锁紧插座，便于使用。输入端接矩形波信号发生器，频率可取 50KHz 。Ri 根据信号发生器的幅值决定，以保证输入电流 10mA 。插卸驱动片时要先切断开关 K1 ，不能带电插卸。T1 和 T2 处接双踪示波器的 2 个探头。测试正常驱动波形时，示波器同步于 T1 。按下 K2 测试保护波形，示波器应同步于 T2 。选取方法：一、栅极电阻Rg的作用1、消除栅极振荡绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。2、转移驱动器的功率损耗电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多。3、调节功率开关器件的通断速度栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作，因此必须统筹兼顾。二、栅极电阻的选取1、栅极电阻阻值的确定各种不同的考虑下，栅极电阻的选取会有很大的差异。初试可如下选取：IGBT额定电流(A)5010020030060080010001500Rg阻值范围()10205.6101.6312不同品牌的IGBT模块可能有各自的特定要求，可在其参数手册的推荐值附近调试。2、栅极电阻功率的确定栅极电阻的功率由IGBT栅极驱动的功率决定，一般来说栅极电阻的总功率应至少是栅极驱动功率的2倍。IGBT栅极驱动功率 P=FUQ，其中：F 为工作频率；U 为驱动输出电压的峰峰值；Q 为栅极电荷，可参考IGBT模块参数手册。例如，常见IGBT驱动器(如TX-KA101)输出正电压15V，负电压-9V，则U=24V，可计算出 P=0.67w ，栅极电阻应选取2W电阻，最好是2个1W电阻并联。三、设置栅极电阻的其他注意事项1、尽量减小栅极回路的电感阻抗，具体的措施有：a) 驱动器靠近IGBT减小引线长度；b) 驱动的栅射极引线绞合，并且不要用过粗的线；c) 线路板上的 2 根驱动线的距离尽量靠近；d) 栅极电阻使用无感电阻；e) 如果是有感电阻，可以用几个并联以减小电感。2、IGBT 开通和关断选取不同的栅极电阻通常为达到更好的驱动效果，IGBT开通和关断可以采取不同的驱动速度，分别选取 Rgon和Rgoff（也称 Rg+ 和 Rg- ）往往是很必要的。IGBT驱动器有些是开通和关断分别输出控制，如TX-KA101、TX-KA102等，只要分别接上Rgon和Rgoff就可以了。有些驱动器只有一个输出端，如TX-K841L、TX-KA962F等，这就要在原来的Rg 上再并联一个电阻和二极管的串联网络，用以调节2个方向的驱动速度。3、在IGBT的栅射极间接上Rge=10100K 电阻，防止在未接驱动引线的情况下，偶然加主电高压，通过米勒电容烧毁IGBT。DA962Dx、DA102Dx等一些驱动板已经有Rge了，但考虑到上述因素，用户最好再在IGBT的栅射极或MOSFET栅源间加装Rge。【精品文档】