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IGBT驅動的作用與原理

作者:海飛樂技術 時間:2017-04-08 22:44

  IGBT驅動電路作用
   IGBT驅動電路的作用主要是將單片機脈沖輸出的功率進行放大,以達到驅動IGBT功率器件的目的。在保證IGBT器件可靠、穩定、安全工作的前提,驅動電路起到至關重要的作用。IGBT是MOSFET管與雙極晶體管的復合器件,既有MOSFET易驅動的優點,又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優點,其頻率特性介于MOSFET管與功率晶體管之間,可正常工作于數十千赫茲的頻率范圍內。為了讓IGBT安全、可靠地工作,其柵極應連接與之匹配的驅動電路。IGBT驅動的兩個功能, 實現控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離;提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。
 
  一.驅動電路的要求
    (1)提供適當的正反向電壓,使IGBT能可靠地開通和關斷。當正偏壓增大時IGBT通態壓降和開通損耗均下降,但若ce過大,則負載短路時其c隨ce增大而增大,對其安全不利,使用中選GE《15V為好。負偏電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通,一般選UGE一一5V為宜。
  (2)IGBT的開關時間應綜合考慮??焖匍_通和關斷有利于提高工作頻率,減小開關損耗。但在大電感負載下,IGBT的開頻率不宜過大,因為高速開斷和關斷會產生很高的尖峰電壓,及有可能造成IGBT自身或其他元件擊穿。
  (3)IGBT開通后,驅動電路應提供足夠的電壓、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驅動電路中的電阻尺G對工作性能有較大的影響,尺。較大,有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率,但會增加IGBT的開關時間和開關損20耗;Rc較小,會引起電流上升率增大,使IGBT誤導通或損壞。Rc的具體數據與驅動電路的結構及IGBT的容量有關,一般在幾歐~幾十歐,小容量的IGBT其Rc值較大。
  (5)驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。IGBT的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配,另外,在未采取適當的防靜電措施情況下,G—E斷不能開路。
    二.常見的IGBT驅動電路
 
    (1)脈沖變壓器式
    該方式是利用變壓器的工作原理,由次級感應電壓直接驅動IGBT,如圖1所示。由于變壓器具有阻抗變換與隔離作用,所以這種驅動方式不僅簡化了驅動電路,還解決了驅動電路的供電與 IGBT不共地的連接問題。
圖1 采用脈沖變壓器隔離驅動IGBT
圖1 采用脈沖變壓器隔離驅動IGBT
 
 2、采用光耦合器及CMOS 驅動IGBT
  電路圖如圖2 所示,該電路自身帶過流保護功能,光耦合器將脈沖控制電路與驅動電路隔離,4011 的四個與非門并聯工作提高了驅動能力,互補晶體管V1、V2 降低驅動電路阻抗,通過R1、C1 與R2、C2 獲得不同的正、反向驅動電壓,以滿足各種IGBT 對柵極驅動電壓的要求。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。
 
圖2 采用光耦合器及CMOS 驅動IGBT
圖2 采用光耦合器及CMOS 驅動IGBT
 
 
 3、 用專用混合集成驅動電路
  目前,國外很多生產IGBT 器件的公司,為了解決IGBT 驅動的可靠性問題,紛紛推出IGBT專用驅動電路,如美國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。這些驅動電路抗干擾能力強,集成化程度高,速度快,保護功能完善,可實現IGBT 的最優驅動,但一般價格比較昂貴,對于普通用戶很難接受。
 
 三.IGBT參數對驅動電路設計的要求
  IGBT 的驅動條件與它的靜態和動態特性密切相關。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓-VGE 和柵極電阻RG 的大小,對IGBT 的通態電壓、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dVCE/dt等參數都有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關系如表1 所示。
 表1 門極驅動條件與器件特性的關系
    表1 門極驅動條件與器件特性的關系
 
   1、 正偏壓+VGE 的影響
  當VGS 增加時,通態電壓下降,IGBT 的開通能量損耗下降,但是VGE 不能隨意增加,因為VGE 增加到一定程度之后對IGBT 的負載短路能力及dVCE/dt 電流有不利影響。
  2、 負偏壓-VGE 的影響
  負偏壓也是很重要的門極驅動條件,它直接影響IGBT 的可靠運行。雖然-VGE 對關斷能耗沒有顯著影響,擔負偏壓的增高會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 發生不可控的擎住現象。
  3、 門極電阻RG 的影響
  門極電阻增加,使IGBT 的開通與關斷能耗均增加,門極電阻減小又使di/dt 增大,可能引發IGBT 誤導通,同時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斷,其驅動電路必須滿足一下條件:
  1.由于是容性輸入阻抗,IGBT 對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為+12-15V,負偏壓-2--10V。
  3. 驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離。
  4.門極驅動電路應盡可能簡單實用,具有對IGBT 的自保護功能,并有較強的抗干擾能力。



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