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IGBT驱动的作用与原理

作者:海飞乐技术 时间:2017-04-08 22:44

  IGBT驱动电路作用
   IGBT驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大,以达到驱动IGBT功率器件的目的。在保证IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提,驱动电路起到至关重要的作用。IGBT是MOSFET管与双极晶体管的复合器件,既有MOSFET易驱动的优点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点,其频率特性介于MOSFET管与功率晶体管之间,可正常工作于数十千赫兹的频率范围内。为了让IGBT安全、可靠地工作,其栅极应连接与之匹配的驱动电路。IGBT驱动的两个功能, 实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。
 
  一.驱动电路的要求
    (1)提供适当的正反向电压,使IGBT能可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降,但若ce过大,则负载短路时其c随ce增大而增大,对其安全不利,使用中选GE《15V为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般选UGE一一5V为宜。
  (2)IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下,IGBT的开频率不宜过大,因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压,及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
  (3)IGBT开通后,驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
  (4)IGBT驱动电路中的电阻尺G对工作性能有较大的影响,尺。较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT的开关时间和开关损20耗;Rc较小,会引起电流上升率增大,使IGBT误导通或损坏。Rc的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧~几十欧,小容量的IGBT其Rc值较大。
  (5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,G—E断不能开路。
    二.常见的IGBT驱动电路
 
    (1)脉冲变压器式
    该方式是利用变压器的工作原理,由次级感应电压直接驱动IGBT,如图1所示。由于变压器具有阻抗变换与隔离作用,所以这种驱动方式不仅简化了驱动电路,还解决了驱动电路的供电与 IGBT不共地的连接问题。
图1 采用脉冲变压器隔离驱动IGBT
图1 采用脉冲变压器隔离驱动IGBT
 
 2、采用光耦合器及CMOS 驱动IGBT
  电路图如图2 所示,该电路自身带过流保护功能,光耦合器将脉冲控制电路与驱动电路隔离,4011 的四个与非门并联工作提高了驱动能力,互补晶体管V1、V2 降低驱动电路阻抗,通过R1、C1 与R2、C2 获得不同的正、反向驱动电压,以满足各种IGBT 对栅极驱动电压的要求。该电路由于受光耦合器传输速度的影响,其工作频率不能太高,同时受4011 型CMOS电路最高工作电压的限制,使+VGE 和-VGE 的幅值相互牵制,并受到限制。
 
图2 采用光耦合器及CMOS 驱动IGBT
图2 采用光耦合器及CMOS 驱动IGBT
 
 
 3、 用专用混合集成驱动电路
  目前,国外很多生产IGBT 器件的公司,为了解决IGBT 驱动的可靠性问题,纷纷推出IGBT专用驱动电路,如美国MOTOROLA 公司的MPD 系列、日本东芝公司的KT 系列、日本富士公司的EXB 系列等。这些驱动电路抗干扰能力强,集成化程度高,速度快,保护功能完善,可实现IGBT 的最优驱动,但一般价格比较昂贵,对于普通用户很难接受。
 
 三。IGBT参数对驱动电路设计的要求
  IGBT 的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE 和栅极电阻RG 的大小,对IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表1 所示。
 表1 门极驱动条件与器件特性的关系
    表1 门极驱动条件与器件特性的关系
 
   1、 正偏压+VGE 的影响
  当VGS 增加时,通态电压下降,IGBT 的开通能量损耗下降,但是VGE 不能随意增加,因为VGE 增加到一定程度之后对IGBT 的负载短路能力及dVCE/dt 电流有不利影响。
  2、 负偏压-VGE 的影响
  负偏压也是很重要的门极驱动条件,它直接影响IGBT 的可靠运行。虽然-VGE 对关断能耗没有显着影响,担负偏压的增高会使漏极浪涌电流明显下降,从而避免过大的漏极浪涌电流使IGBT 发生不可控的擎住现象。
  3、 门极电阻RG 的影响
  门极电阻增加,使IGBT 的开通与关断能耗均增加,门极电阻减小又使di/dt 增大,可能引发IGBT 误导通,同时RG 上的能耗也有所增加。所以通常RG 一般取十几欧到几百欧之间。
  因此,为了使IGBT 能够安全可靠得到通和关断,其驱动电路必须满足一下条件:
  1.由于是容性输入阻抗,IGBT 对门极电荷集聚很敏感,因此要保证有一条低阻抗值得放电回路。
  2.门极电路中的正偏压应为+12-15V,负偏压-2--10V。
  3. 驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。
  4.门极驱动电路应尽可能简单实用,具有对IGBT 的自保护功能,并有较强的抗干扰能力。



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