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1前言 電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器件得到了迅速的發(fā)展。20世紀80年代，為了給高電壓應用環(huán)境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣門(mén)極雙極型晶體管（IGBT）［1］。在IGBT中，用一個(gè)MOS門(mén)極區來(lái)控制寬基區的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了一種具有功率MOSFET的高輸入阻抗與雙極型器件優(yōu)越通態(tài)特性相結合的非常誘人的器件，它具有控制功率小、開(kāi)關(guān)速度快和電流處理能力大、飽和壓降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的電源、逆變器、不間斷電源（UPS）和交流電機調速系統的設計中，它是目前最為常見(jiàn)的一種器件。 功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅動(dòng)電路也在不斷地發(fā)展，相繼出現了許多專(zhuān)用的驅動(dòng)集成電路。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動(dòng)電路產(chǎn)生。當選擇這些驅動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。圖1為一典型的IGBT驅動(dòng)電路原理示意圖。因為IGBT柵極?發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應該比許多MOSFET驅動(dòng)電路提供的偏壓更高。 
1）柵極驅動(dòng)電壓IGBT開(kāi)通時(shí)，正向柵極電壓的值應該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也應限制短路電流和它所帶來(lái)的功率應力。在任何情況下，開(kāi)通時(shí)的柵極驅動(dòng)電壓，應該在12～20V之間。當柵極電壓為零時(shí)，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極?發(fā)射極電壓上出現dv/dt噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個(gè)反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應該在－5～－15V之間。 2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）選擇適當的柵極串聯(lián)電阻對IGBT柵極驅動(dòng)相當重要。IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現的，因此柵極電阻值將對IGBT的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來(lái)的誤導通），但與此同時(shí)，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導致柵極－發(fā)射極電容和柵極驅動(dòng)導線(xiàn)的寄生電感產(chǎn)生振蕩。 3）柵極驅動(dòng)功率IGBT要消耗來(lái)自柵極電源的功率，其功率受柵極驅動(dòng)負、正偏置電壓的差值ΔUGE、柵極總電荷QG和工作頻率fs的影響。電源的最大峰值電流IGPK為：
在本文中，我們將對幾種最新的用于IGBT驅動(dòng)的集成電路做一個(gè)詳細的介紹，討論其使用方法和優(yōu)缺點(diǎn)及使用過(guò)程中應注意的問(wèn)題。 2幾種用于IGBT驅動(dòng)的集成芯片 2.1TLP250（TOSHIBA公司生產(chǎn)） 在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相關(guān)的性能控制，通過(guò)檢測直流母線(xiàn)上流入逆變橋的直流電流即可，如變頻器中的自動(dòng)轉矩補償、轉差率補償等。同時(shí)，這一檢測結果也可以用來(lái)完成對逆變單元中IGBT實(shí)現過(guò)流保護等功能。因此在這種逆變器中，對IGBT驅動(dòng)電路的要求相對比較簡(jiǎn)單，成本也比較低。這種類(lèi)型的驅動(dòng)芯片主要有東芝公司生產(chǎn)的TLP250，夏普公司生產(chǎn)的PC923等等。這里主要針對TLP250做一介紹。 TLP250包含一個(gè)GaAlAs光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測器，8腳雙列封裝結構。適合于IGBT或電力MOSFET柵極驅動(dòng)電路。圖2為T(mén)LP250的內部結構簡(jiǎn)圖，表1給出了其工作時(shí)的真值表。
1）輸入閾值電流（IF）：5mA（最大）； 2）電源電流（ICC）：11mA（最大）； 3）電源電壓（VCC）：10～35V； 4）輸出電流（IO）：±0.5A（最�。�； 5）開(kāi)關(guān)時(shí)間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）； 6）隔離電壓：2500Vpms（最�。�。 表2給出了TLP250的開(kāi)關(guān)特性，表3給出了TLP250的推薦工作條件。
圖3和圖4給出了TLP250的兩種典型的應用電路。
圖5給出了TLP250驅動(dòng)IGBT時(shí)，1200V/200A的IGBT上電流的實(shí)驗波形（50A/10μs）�？梢钥闯�，由于TLP250不具備過(guò)流保護功能，當IGBT過(guò)流時(shí)， 通過(guò)控制信號關(guān)斷IGBT，IGBT中電流的下降很陡，且有一個(gè)反向的沖擊。這將會(huì )產(chǎn)生很大的di/dt和開(kāi)關(guān)損耗，而且對控制電路的過(guò)流保護功能要求很高。
1）TLP250輸出電流較小，對較大功率IGBT實(shí)施驅動(dòng)時(shí)，需要外加功率放大電路。 2）由于流過(guò)IGBT的電流是通過(guò)其它電路檢測來(lái)完成的，而且僅僅檢測流過(guò)IGBT的電流，這就有可能對于IGBT的使用效率產(chǎn)生一定的影響，比如IGBT在安全工作區時(shí)，有時(shí)出現的提前保護等。 3）要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應要快，一般由過(guò)電流發(fā)生到IGBT可靠關(guān)斷應在10μs以?xún)韧瓿伞?/font> 4）當過(guò)電流發(fā)生時(shí)，TLP250得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號，對IGBT的柵極施加一負電壓，使IGBT硬關(guān)斷。這種主電路的dv/dt比正常開(kāi)關(guān)狀態(tài)下大了許多，造成了施加于IGBT兩端的電壓升高很多，有時(shí)就可能造成IGBT的擊穿。 2.2EXB8..Series（FUJIELECTRIC公司生產(chǎn)） 隨著(zhù)有些電氣設備對三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身的原因，在現有的許多逆變器中，把逆變單元IGBT的驅動(dòng)與保護和主電路電流的檢測分別由不同的電路來(lái)完成。這種驅動(dòng)方式既提高了逆變器的性能，又提高了IGBT的工作效率，使IGBT更好地在安全工作區工作。這類(lèi)芯片有富士公司的EXB8..Series、夏普公司的PC929等。在這里，我們主要針對EXB8..Series做一介紹。 EXB8..Series集成芯片是一種專(zhuān)用于IGBT的集驅動(dòng)、保護等功能于一體的復合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅動(dòng)用變頻器、伺服電機驅動(dòng)、UPS、感應加熱和電焊設備等工業(yè)領(lǐng)域。具有以下的特點(diǎn)： 1）不同的系列（標準系列可用于達到10kHz開(kāi)關(guān)頻率工作的IGBT，高速系列可用于達到40kHz開(kāi)關(guān)頻率工作的IGBT）。 2）內置的光耦可隔離高達2500V/min的電壓。 3）單電源的供電電壓使其應用起來(lái)更為方便。 4）內置的過(guò)流保護功能使得IGBT能夠更加安全地工作。 5）具有過(guò)流檢測輸出信號。 6）單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式。 常用的EXB8..Series主要有：標準系列的EXB850和EXB851，高速系列的EXB840和EXB841。其主要應用場(chǎng)合如表4所示。
2）高速系列：驅動(dòng)電路中的信號延遲≤1.5μs 圖6給出了EXB8..Series的功能方框圖。
——IGBT柵?射極驅動(dòng)電路接線(xiàn)必須小于1m； ——IGBT柵?射極驅動(dòng)電路接線(xiàn)應為雙絞線(xiàn)； ——如想在IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，那么增加IGBT柵極串聯(lián)電阻（Rg）即可； ——應用電路中的電容C1和C2取值相同，對于EXB850和EXB840來(lái)說(shuō)，取值為33μF，對于EXB851和EXB841來(lái)說(shuō)，取值為47μF。該電容用來(lái)吸收由電源接線(xiàn)阻抗而引起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。 EXB8..Series的使用特點(diǎn)： 1）EXB8..Series的驅動(dòng)芯片是通過(guò)檢測IGBT在導通過(guò)程中的飽和壓降Uce來(lái)實(shí)施對IGBT的過(guò)電流保護的。對于IGBT的過(guò)電流處理完全由驅動(dòng)芯片自身完成，對于電機驅動(dòng)用的三相逆變器實(shí)現無(wú)跳閘控制有較大的幫助。 2）EXB8..Series的驅動(dòng)芯片對IGBT過(guò)電流保護的處理采用了軟關(guān)斷方式，因此主電路的dv/dt比硬關(guān)斷時(shí)小了許多，這對IGBT的使用較為有利，是值得重視的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 3）EXB8..Series驅動(dòng)芯片內集成了功率放大電路，這在一定程度上提高了驅動(dòng)電路的抗干擾能力。 4）EXB8..Series的驅動(dòng)芯片最大只能驅動(dòng)1200V/300A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大電路，另外，從圖7中可以看出，該類(lèi)芯片為單電源供電，IGBT的關(guān)斷負電壓信號是由芯片內部產(chǎn)生的－5V信號，容易受到外部的干擾。因此對于300A以上的IGBT或者IGBT并聯(lián)時(shí)，就需要考慮別的驅動(dòng)芯片，比如三菱公司的M57962L等。 圖8給出了EXB841驅動(dòng)IGBT時(shí)，過(guò)電流情況下的實(shí)驗波形�？梢钥闯�，正如前面介紹過(guò)的，由于EXB8..Series芯片內部具備過(guò)流保護功能，當IGBT過(guò)流時(shí)，采用了軟關(guān)斷方式關(guān)斷IGBT，所以IGBT中電流是一個(gè)較緩的斜坡下降，這樣一來(lái)，IGBT關(guān)斷時(shí)的di/dt明顯減少，這在一定程度上減小了對控制電路的過(guò)流保護性能的要求。
M579..Series是日本三菱公司為IGBT驅動(dòng)提供的一種IC系列，表7給出了這種系列的幾種芯片的基本應用特性（其中有＊者為芯片內部含有Booster電路）。 在M579..Series中，以M57962L為例做出一般的解釋。隨著(zhù)逆變器功率的增大和結構的復雜，驅動(dòng)信號的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅動(dòng)信號關(guān)斷IGBT時(shí)的負電壓，M57962L的負電源是外加的（這點(diǎn)和EXB8..Series不同），所以實(shí)現起來(lái)比較方便。它的功能框圖和圖6所示的EXB8..Series功能框圖極為類(lèi)似，在此不再贅述。圖9給出了M57962L在驅動(dòng)大功率IGBT模塊時(shí)的典型電路圖。在這種電路中，NPN和PNP構成的電壓提升電路選用快速晶體管（tf≤200ns），并且要有足夠的電流增益以承載需要的電流。
1）驅動(dòng)芯片的最大輸出電流峰值受柵極電阻Rg的最小值限制，例如，對于M57962L來(lái)說(shuō)，Rg的允許值在5Ω左右，這個(gè)值對于大功率的IGBT來(lái)說(shuō)高了一些，且當Rg較高時(shí)，會(huì )引起IGBT的開(kāi)關(guān)上升時(shí)間td（on）、下降時(shí)間td（off）以及開(kāi)關(guān)損耗的增大，在較高開(kāi)關(guān)頻率（5kHz以上）應用時(shí)，這些附加損耗是不可接受的。 2）即便是這些附加損耗和較慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以被接受，驅動(dòng)電路的功耗也必須考慮，當開(kāi)關(guān)頻率高到一定程度時(shí)（高于14kHz），會(huì )引起驅動(dòng)芯片過(guò)熱。 3）驅動(dòng)電路緩慢的關(guān)斷會(huì )使大功率IGBT模塊的開(kāi)關(guān)效率降低，這是因為大功率IGBT模塊的柵極寄生電容相對比較大，而驅動(dòng)電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅動(dòng)電路緩慢的關(guān)斷還會(huì )使大功率IGBT模塊需要較大的吸收電容。 以上這三種限制可能會(huì )產(chǎn)生嚴重的后果，但通過(guò)附加的Booster電路都可以加以克服，如圖9所示。
3結語(yǔ) 隨著(zhù)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，三相逆變器的應用變得非常廣泛。近年來(lái)，隨著(zhù)IGBT制造技術(shù)的提高，相繼出現了電壓等級越來(lái)越高、額定功率越來(lái)越大的單管、兩單元IGBT模塊及六單元IGBT模塊，同時(shí)性能價(jià)格比的提高使得IGBT在三相逆變器的設計中占有很大的比重，成為許多設計人員首選的功率器件。隨之而來(lái)的是IGBT的驅動(dòng)芯片也得到了很大的發(fā)展，設計人員、生產(chǎn)廠(chǎng)家都給予了高度重視，小型化、多功能集成化成為人們不斷追求的目標。相信隨著(zhù)制造技術(shù)的發(fā)展，將會(huì )研制出更多更好的IGBT驅動(dòng)芯片，并得到廣泛的應用。 來(lái)源：OFweek電子工程網(wǎng) 其它內容參見(jiàn)：IGBT 系統設計攻略 |
