IGBT在以變頻器及各類(lèi)電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　為解決IGBT的可靠驅動(dòng)問(wèn)題，國外各IGBT生產(chǎn)廠(chǎng)家或從事IGBT應用的企業(yè)開(kāi)發(fā)出了眾多的IGBT驅動(dòng)集成電路或模塊，惠普生產(chǎn)的HCLP一316J有過(guò)流保護、欠壓保護和1GBT軟關(guān)斷的功能，且價(jià)格相對便宜，因此，本文將對其進(jìn)行研究。

　　1 IGBT的工作特性

　　IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動(dòng)電流與驅動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來(lái)控制的，當UGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)IGBT導通，當柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號時(shí)，IGBT被關(guān)斷。

　　IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線(xiàn)性放大區、飽和區和截止區，其主要作為開(kāi)關(guān)器件應用。在驅動(dòng)電路中主要研究IGBT的飽和導通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開(kāi)通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

　　2 IGBT驅動(dòng)電路要求

　　在設計IGBT驅動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。

　　1)柵極正向驅動(dòng)電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動(dòng)電壓增大時(shí)，.IGBT的導通電阻下降，使開(kāi)通損耗減小;但若正向驅動(dòng)電壓過(guò)大則負載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應，導致門(mén)控失效，從而造成IGBT的損壞;若正向驅動(dòng)電壓過(guò)小會(huì )使IGBT退出飽和導通區而進(jìn)入線(xiàn)性放大區域，使IGBT過(guò)熱損壞;使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過(guò)大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開(kāi)通后驅動(dòng)電路應提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過(guò)載情況下不致退出飽和導通區而損壞。

　　2)IGBT快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負載下IGBT的開(kāi)關(guān)頻率不宜過(guò)大，因為高速開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì )產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

　　3)選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅動(dòng)相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數比較小，會(huì )使開(kāi)通瞬間電流較大，從而損壞IGBT;RG較大，有利于抑制dvce/dt，但會(huì )增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic/dt，CG太大，開(kāi)通時(shí)間延時(shí)，CG太小對抑制dic/dt效果不明顯。

　　4)當IGBT關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現象發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。此外，在實(shí)際應用中為防止柵極驅動(dòng)電路出現高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩壓二極管，其穩壓值應與正負柵壓相同。

　　3 HCPL-316J驅動(dòng)電路

　　3.1 HCPL-316J內部結構及工作原理

　　若IGBT出現過(guò)流信號(腳14檢測到IGBT集電極上電壓=7V)，而輸入驅動(dòng)信號繼續加在腳1，欠壓信號為低電平，B點(diǎn)輸出低電平，三級達林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現慢降柵壓。當VOUT=2V時(shí)，即VOUT輸出低電平，C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖�，B點(diǎn)為高電平，50×DMOS導通，IGBT柵射集迅速放電。故障線(xiàn)上信號通過(guò)光耦，再經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器，Q輸出高電平，使輸入光耦被封鎖。同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過(guò)流的情況。

　　3.2驅動(dòng)電路設計

　　HCPL-316J左邊的VIN+，FAULT和RESET分別與微機相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護作用，防止過(guò)高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護電路會(huì )產(chǎn)生約1μs延時(shí)，在開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)100kHz時(shí)不適合使用。Q3最主要起互鎖作用，當兩路PWM信號(同一橋臂)都為高電平時(shí)，Q3導通，把輸入電平拉低，使輸出端也為低電平。圖3中的互鎖信號Interlock，和Interlock2分別與另外一個(gè)316J Interlock2和Interlock1相連。R1和C2起到了對故障信號的放大和濾波，當有干擾信號后，能讓微機正確接受信息。

　　在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開(kāi)通的快慢和開(kāi)關(guān)損耗，增加C7可以明顯地減小dic/dt。首先計算柵極電阻：其中ION為開(kāi)通時(shí)注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開(kāi)通，設計，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v。C3是一個(gè)非常重要的參數，最主要起充電延時(shí)作用。當系統啟動(dòng)，芯片開(kāi)始工作時(shí)，由于IGBT的集電極C端電壓還遠遠大于7V，若沒(méi)有C3，則會(huì )錯誤地發(fā)出短路故障信號，使輸出直接關(guān)斷。當芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復正常，若沒(méi)有C3，則也會(huì )發(fā)出錯誤的故障信號，使IGBT誤關(guān)斷。但是，C3的取值過(guò)大會(huì )使系統反應變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時(shí)時(shí)間內就被燒壞，起不到正確的保護作用， C3取值100pF，其延時(shí)時(shí)間在集電極檢測電路用兩個(gè)二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅動(dòng)電壓等級，但二極管的反向恢復時(shí)間要很小，且每個(gè)反向耐壓等級要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復時(shí)間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現過(guò)流信號后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是C5通過(guò)內部MOSFET的放電來(lái)實(shí)現軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過(guò)兩個(gè)快速三極管推挽輸出，使驅動(dòng)電流最大能達到20A，能夠快速驅動(dòng)1700v、200-300A的IGBT。

        3.3驅動(dòng)電源設計

　　在驅動(dòng)設計中，穩定的電源是IGBT能否正常工作的保證。電源采用正激變換，抗干擾能力較強，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負載情況下電源輸出電壓仍然比較穩定。

　　當s開(kāi)通時(shí)，+12v(為比較穩定的電源，精度很高)電壓便加到變壓器原邊和S相連的繞組，通過(guò)能量耦合使副邊經(jīng)過(guò)整流輸出。當S關(guān)斷時(shí)，通過(guò)原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源，實(shí)現變壓器磁芯的復位。555定時(shí)器接成多諧振蕩器，通過(guò)對C1的充放電使腳2和腳6的電位在4～8v之間變換，使腳3輸出電壓方波信號，并用方波信號來(lái)控制S的開(kāi)通和關(guān)斷。+12v經(jīng)過(guò)R1，D2給C1充電，其充電時(shí)間t1≈R1C2ln2;放電時(shí)間t2=R2C1ln2，充電時(shí)輸出高電平，放電時(shí)輸出低電平。所以占空比=t1/(t1+t2)。

　　變壓器按下述參數進(jìn)行設計：原邊接+12v，頻率為60kHz，工作磁感應強度Bw為O.15T，副邊+15v輸出2A，-5v輸出1 A，效率n=80%，窗口填充系數Km為O.5，磁芯填充系數Kc為1，線(xiàn)圈導線(xiàn)電流密度d為3 A/mm2。則輸出功率 PT=(15+O.6)×2×2+(5+O.6)×1×2=64W。

　　由于帶載后驅動(dòng)電源輸出電壓會(huì )有所下降，所以，在實(shí)際應用中考慮提高頻率和占空比來(lái)穩定輸出電壓。

　　4 結語(yǔ)

　　本文設計了一個(gè)可驅動(dòng)l700v，200～300A的IGBT的驅動(dòng)電路。硬件上實(shí)現了對兩個(gè)IGBT(同一橋臂)的互鎖，并設計了可以直接給兩個(gè)IGBT供電的驅動(dòng)電源。