0 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大;MOSFET驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT和其它電力電子器件一樣，其應用還依賴(lài)于電路條件和開(kāi)關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅動(dòng)和保護電路是電路設計的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個(gè)裝置運行的關(guān)鍵環(huán)節。

為解決IGBT的可靠驅動(dòng)問(wèn)題，本文給出1700V，200～300A IGBT的驅動(dòng)和保護電路設計。

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 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅動(dòng)方法和 MOSFET基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道FET ，所以具有高輸入阻抗特性。當 MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴(少子)，對 N 一層進(jìn)行電導調制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

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。

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。

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。

3 HCPL-316J驅動(dòng)電路

3.1 HCPL-316J內部結構及工作原理

HCPL-316J的內部結構如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。

從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿(mǎn)足高壓大功率IGBT驅動(dòng)的要求。

各引腳功能如下：

腳1(VIN+)正向信號輸入;

腳2(VIN-)反向信號輸入;

腳3(VCG1)接輸入電源;

腳4(GND)輸入端的地;

腳5(RESERT)芯片復位輸入端;

腳6(FAULT) 故障輸出，當發(fā)生故障(輸出正向電壓欠壓或IGBT短路)時(shí)，通過(guò)光耦輸出故障信號;

腳7(VLED1+)光耦測試引腳，懸掛;

腳8(VLED1-)接地;

腳9，腳10(VEE)給IGBT提供反向偏置電壓;

腳11(VOUT)輸出驅動(dòng)信號以驅動(dòng)IGBT;

腳12(VC)三級達林頓管集電極電源;

腳13(VCC2)驅動(dòng)電壓源;

腳14(DESAT) IGBT短路電流檢測;

腳15(VLED2+)光耦測試引腳，懸掛;

腳16(VE)輸出基準地。

其工作原理如圖1所示。若VIN+正常輸入，腳14沒(méi)有過(guò)流信號，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅動(dòng)電壓正常，驅動(dòng)信號輸出高電平，故障信號和欠壓信號輸出低電平。首先3路信號共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅動(dòng)三級達林頓管導通，IGBT也隨之開(kāi)通。

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。

3.2 驅動(dòng)電路設計

驅動(dòng)電路及參數如圖3所示。

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。

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�？傻�

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。如圖4所示。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。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。

變壓器磁芯參數

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。