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近年來(lái) , 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 以其優(yōu)越的性能 , 在變流器中取代了其他大功率開(kāi)關(guān)器件,正確使用 IGBT 的關(guān)鍵問(wèn)題是要有比較好的驅(qū)動(dòng)電路 , 在驅(qū)動(dòng)波形 , 正、反偏 , 保護(hù)等方面驅(qū)動(dòng)電路都要滿足 IGBT 的驅(qū)動(dòng)要求.因此 , 分析與設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)電路是應(yīng)用好 IGBT 的前提 [1] .盡管這方面的研究已經(jīng)頗多 , 但多偏重于專用驅(qū)動(dòng)模塊的討論.本文從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā) , 另辟途徑 , 用分立元件、 555 定時(shí)器、光耦合器等元件來(lái)研制 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路.

1    IGBT 對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的要求
    IGBT 是由 MOSFET 和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型器件 , 其內(nèi)部結(jié)構(gòu) :IGBT 相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) PNP 型晶體管 , 簡(jiǎn)化等效電路見(jiàn)圖 1[2] .

圖 1 IGBT 的簡(jiǎn)化等效電路
    IGBT 屬于場(chǎng)控器件 , 在門(mén)極施以正電壓時(shí) ,MOSFET 內(nèi)形成溝道 , 并為 PNP 晶體管提供基極電流 , 從而使 IGBT 導(dǎo)通 ; 在門(mén)極上施以負(fù)電壓時(shí) ,MOSFET 內(nèi)的溝道消失 ,PNP 晶體管的基極電流被切斷 ,IGBT 即為關(guān)斷.由此可見(jiàn) ,IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷是由門(mén)極電壓來(lái)控制的 [1][3] .再結(jié)合 IGBT 的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性 ,IGBT 對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的要求為 [4]:(1)IGBT 與 MOSFET 都是電壓驅(qū)動(dòng) , 都具有一個(gè) 2.5V~5V 的閾值電壓 , 有一個(gè)容性輸入阻抗 , 因此 IGBT 對(duì)門(mén)極電荷集聚非常敏感 , 故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠 , 要保證有一條低阻抗值的放電回路 , 即驅(qū)動(dòng)電路與 IGBT 的連線要盡量短 ;(2) 用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門(mén)極電容充放電 , 以保證門(mén)極控制電壓 Uge 有足夠陡峭的前后沿 , 使 IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗盡量小.另外 ,IGBT 開(kāi)通后 , 門(mén)極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率 , 使 IGBT 不退出飽和而損壞 ;(3) 驅(qū)動(dòng)電路中 ,IGBT 的門(mén)極正偏壓 (+Uge) 應(yīng)為 +12V~+15V; 門(mén)極負(fù)偏壓 (+Uge) 應(yīng)為 +2V~+10V;(4) 驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾十 kHz 的脈沖信號(hào) ;(5) 在大電感負(fù)載下, IGBT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能太短 , 以限制 di/dt 所形成的尖峰電壓 , 確保 IGBT 的安全 ;(6) 由于 IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合 , 故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離 ;(7) 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用 , 最好自身帶有對(duì) IGBT 的保護(hù)功能 , 有較強(qiáng)的抗干擾能力.
    根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求 , 可以得出驅(qū)動(dòng)電路中 IGBT 門(mén)源電壓 Uge( 即驅(qū)動(dòng)電壓 ) 的理想波形見(jiàn)圖 2 .

圖 2 驅(qū)動(dòng)電壓 Uge 的理想波形


2 兩種方案

    根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求 ,IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路必須具備二個(gè)基本功能 : 一是提供合適的門(mén)極驅(qū)動(dòng)脈沖 ; 二是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng) IGBT 門(mén)極的電隔離 [5] .設(shè)計(jì)的思路是 :(1) 采用穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn) 5V 的恒偏壓 , 再和 +20V 穩(wěn)壓源共同作用實(shí)現(xiàn) +15V/-5V 的驅(qū)動(dòng)電壓 ;(2) 采用脈沖變壓器、微分變壓器或光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)電隔離.筆者之所以選用 TLP 型普通光耦合器 , 原因有三 : 一是能夠?qū)崿F(xiàn)控制脈沖與驅(qū)動(dòng)電路的電隔離 ; 二是可在電路中作開(kāi)關(guān)器件使用 , 以實(shí)現(xiàn)控制回路的閉合和關(guān)斷 ; 三是經(jīng)濟(jì)實(shí)用 , 成本低廉.

2.1 由分立元件構(gòu)成的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 :

    圖 3 為采用光耦合器等分立元件構(gòu)成的 IG2BT 驅(qū)動(dòng)電路.該電路的特點(diǎn)是采用晶體三極管組成互補(bǔ)推挽式電路 , 為電流提供正向和反向通路 , 以實(shí)現(xiàn) IGBT 門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓的正、反偏變換.
    當(dāng)輸入控制脈沖信號(hào)為高電平時(shí) , 光耦合器 U1(A4N25) 導(dǎo)通 , 晶體管 Q1 截止 ,Q2 導(dǎo)通 , 在穩(wěn)壓二極管 D3(D1N750) 的共同作用下輸出 +15V 驅(qū)動(dòng)電壓.當(dāng)輸入控制脈沖信號(hào)為低電平時(shí) , 光耦 U1(A4N25) 截止 , 晶體管 Q1 、 Q3 導(dǎo)通 ,Q2 截止 , 再結(jié)合 D3(D1N750) 的作用輸出 -5V 電壓.
    使用該電路時(shí)應(yīng)注意 +20V 穩(wěn)壓源需靠近驅(qū)動(dòng)電路 , 驅(qū)動(dòng)電路輸出端及電源地端至 IGBT 門(mén)極和發(fā)射極的引線應(yīng)采用雙絞線 , 長(zhǎng)度最好不超過(guò) 0.5m .

2.2 由 555 定時(shí)器構(gòu)成的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 Gx+x4KYuF--未經(jīng)許可,禁止轉(zhuǎn)載yG{wuwwz!

    圖 4 為由 555 定時(shí)器構(gòu)成的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路.該電路的特點(diǎn)是 :(1) 利用 555 定時(shí)器內(nèi)部放電管 ( 引腳 ) 的導(dǎo)通、關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn) +15V/-5V 的驅(qū)動(dòng)電壓 ;(2)555 定時(shí)器引腳、接在一起 , 構(gòu)成了雙穩(wěn)態(tài)電路結(jié)構(gòu) ;(3) 電阻 R5 與穩(wěn)壓管 D3(D1N750) 構(gòu)成了對(duì) IGBT 輸入端的負(fù)偏壓 , 以保證 IGBT 關(guān)斷的可靠性 [6] .
    在輸入控制脈沖信號(hào)為高電平時(shí) , 光耦合器 U1(A4N25) 導(dǎo)通 ,555 定時(shí)器內(nèi)部放電管導(dǎo)通 , 引腳接地 , 此時(shí) IGBT 門(mén)極通過(guò)電阻 R6 放電 , 門(mén)極電壓迅速下降為零 , 在穩(wěn)壓二極管 D3(D1N750) 的共同作用下輸出 -5V 驅(qū)動(dòng)電壓.當(dāng)輸入控制脈沖信號(hào)為低電平時(shí) , 光耦 U1(A4N25) 截止 ,555 定時(shí)器內(nèi)部放電管截止 , 引腳相當(dāng)于懸空 , 此時(shí) IGBT 門(mén)極直接由 +20V 電源供電 , 再結(jié)合 D3(D1N750) 的作用輸出 +15V 驅(qū)動(dòng)電壓.
    由電路的工作原理可知 : 控制脈沖信號(hào)為高電平時(shí) , 該電路輸出 -5V 驅(qū)動(dòng)電壓 , 而當(dāng)控制脈沖信號(hào)為低電平時(shí) , 電路輸出 +15V 驅(qū)動(dòng)電壓.為保證控制脈沖信號(hào)與驅(qū)動(dòng)脈沖的同步 , 可在控制脈沖信號(hào)引入光耦合器之前 , 先經(jīng)過(guò)一反相器反相.需要指出的一點(diǎn)是 ,555 定時(shí)器不能長(zhǎng)時(shí)間承受 +20V 的電壓 , 因此由 555 定時(shí)器構(gòu)成的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路不適用于長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作的場(chǎng)合

3 PSPICE 仿真結(jié)果
    PSPICE 是計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)中的電子電路模擬軟件 , 主要用于所設(shè)計(jì)的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前 , 先對(duì)電路進(jìn)行模擬分析.為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的正確性 , 可先利用 PSPICE 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析.
    分別按照?qǐng)D 3 、圖 4 在 PSPICE 平臺(tái)中連接好仿真電路 , 因驅(qū)動(dòng)電壓 Uge 是驅(qū)動(dòng)電路的重要性能指標(biāo) , 故仿真分析主要測(cè)試 Uge( 圖 3 、圖 4 中正 / 負(fù)兩探點(diǎn)間電位差 ) 的瞬態(tài)響應(yīng).仿真過(guò)程中 , 控制脈沖采用 10kHz; 占空比為 2/3 的方波信號(hào) , 光耦合器選用 U1(A4N25), 穩(wěn)壓二極管采用 D1N750( 額定值設(shè)為 5V), 分別選定適當(dāng)?shù)膾呙璨介L(zhǎng)和掃描時(shí)間 , 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖 5 、圖 6 .
    從測(cè)試結(jié)果可知 : 兩電路的驅(qū)動(dòng)電壓完全滿足 IGBT 的驅(qū)動(dòng)要求 , 且上升沿和下降沿都比較陡直 , 說(shuō)明正、反偏的時(shí)間很短 , 能夠保證 IGBT 可靠地工作.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    在計(jì)算機(jī)仿真的基礎(chǔ)之上 , 可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的性能.
    實(shí)驗(yàn)電路分別按照上面的仿真電路 ( 圖 3 、圖 4) 來(lái)搭建.實(shí)驗(yàn)條件為 : 控制脈沖由 SG3524 芯片構(gòu)成的 PWM 電路產(chǎn)生 ; 光耦采用 TLP630 型普通光耦合器 ;555 定時(shí)器選用普通的 NE555 集成塊 ; 晶體三極管采用 9013 型 (NPN) 和 9015 型 (PNP); 穩(wěn)壓管選用額定電壓為 5V 的穩(wěn)壓二極管 ; 直流穩(wěn)壓電源一臺(tái) ;IGBT 選用富士公司的 2MBI50P-140 型 (1400V,50A); 雙蹤數(shù)字存儲(chǔ)示波器一臺(tái) ; 電阻 , 電容 , 電感 , 二極管 , 導(dǎo)線若干.
    通過(guò)數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)得兩種電路的驅(qū)動(dòng)電壓 (Uge) 波形分別見(jiàn)圖 7 、圖 8 .

5 結(jié)論
    綜上所述 , 計(jì)算機(jī) PSPICE 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致.測(cè)試結(jié)果表明所研制的驅(qū)動(dòng)電路完全符合 IGBT 的驅(qū)動(dòng)要求 , 且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 成本低廉 , 性能穩(wěn)定 , 能夠使 IGBT 可靠地工作 , 具有一定的實(shí)用價(jià)值.

IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的改良設(shè)計(jì)
IGBT驅(qū)動(dòng)電路性能分析
841的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及優(yōu)化

集成化 IGBT 專用驅(qū)動(dòng)器 EXB841
現(xiàn)在,大電流高電壓的 IGBT 已模塊化,它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的  IGBT 專用驅(qū)動(dòng)電路.其性能更好,整機(jī)的可靠性更高及體積更小.

集成化驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成及性能
下面以富士電機(jī)公司 EXB 系列驅(qū)動(dòng)器為例加以介紹.  EXB850 ( 851 )為標(biāo)準(zhǔn)型(最大  10kHz 運(yùn)行),其內(nèi)部電路框圖如圖 2 - 65 .所示. EXB840 ( 841 )是高速型(最大  40kHz 運(yùn)行),其內(nèi)部電路框圖如圖  2 - 65b 所示.它為直插式結(jié)構(gòu),額定參數(shù)和運(yùn)行條件可參考其使用手冊(cè).
    EXB 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下:
     腳 1 :連接用于反向偏置電源的濾波電容器;
     腳     2 :電源(    +   20V );
     腳 3 :驅(qū)動(dòng)輸出;
     腳 4 :用于連接外部電容器,以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作(大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器);
     腳 5 :過(guò)流保護(hù)輸出;
     腳 6 :集電極電壓監(jiān)視;
     腳 7 、 8 :不接;
     腳 9 :電源;
     腳   10 、    11 :不接;
     腳   14 、    15 :驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入(一,+);
     由于本系列驅(qū)動(dòng)器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號(hào)隔離,因此能用于交流   3 80V 的動(dòng)力設(shè)備上.
    IGBT 通常只能承受 10us 的短路電流,所以必須有快速保護(hù)電路. EXB 系列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路,根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電極之間的關(guān)系檢測(cè)過(guò)電流,其檢測(cè)電路如圖 2 - 66 .所示.當(dāng)集電極電壓
高時(shí),雖然加入信號(hào)也認(rèn)為存在過(guò)電流,但是如果發(fā)生過(guò)電流,驅(qū)動(dòng)器的低速切斷電路就慢速關(guān)斷   IGBT ( < loUs 的過(guò)流不響應(yīng)),從而保證 1GBT 不被損壞.如果以正常速度切斷過(guò)電流,集電極產(chǎn)生的電壓尖脈沖足以破壞    IGBT ,關(guān)斷時(shí)的集電極波形如圖     2 -  6 6b 所示．
    IGBT 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要一個(gè)十  15V 電壓以獲得低開(kāi)啟電壓,還需要一個(gè)一 5V 關(guān)柵電壓以防止關(guān)斷時(shí)的誤動(dòng)作.這兩種電壓    (+ 15V 和一 5V )均可由 20v 供電的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路產(chǎn)生,如圖 2--6 6C 所示.
           EXB841 剖析
為了更好地應(yīng)用   IGBT ,有關(guān)專家對(duì) EXB841 作了解剖,經(jīng)反復(fù)測(cè)試、整理,得到   EXB841 的原理圖,如    圖 2 - 67 所示.圖中參數(shù)均為實(shí)際測(cè)得,引腳標(biāo)號(hào)與實(shí)際封裝完全相同.

   EXB841 由放大部分、過(guò)流保護(hù)部分和   5V 電壓基準(zhǔn)部分組成.     放大部分由光耦合器 IS01 ( TLP550 )、 V2 、 V4 、 V5 和 R1 、 C1 、 R2 、 R9 組成,其中 IS01 起隔離作用, V2 是中間級(jí), V4 和 V5 組成推挽輸出.
     過(guò)流保護(hù)部分由   V1 、    V3 、    VD6 、   VZI 和  C2 、    R3 、    R4 、   R5 、    R6 、
C3 、 R7 、 R8 、 C4 等組成.它們實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)和延時(shí)保護(hù)功能. EXB84l 的腳 6 通過(guò)快速二極管 VD7 接至 IGBT 的集電極,顯然它是通過(guò)檢測(cè)電壓  Uce 的高低來(lái)判斷是否發(fā)生短路.                       5V 電壓基準(zhǔn)部分由 r10,  VZ2 和  C5 組成,既為驅(qū)動(dòng)  IGBT 提供一 5V 反偏壓,同時(shí)也為輸入光耦合器 IS01 提供副方電源.