IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。

　　當(dāng)柵極施以正電壓時,，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,。此時從N+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴(少子)對N-區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制,，減小Ⅳ區(qū)的電阻Rdr ,，使阻斷電壓高的IGBT也具有低的通態(tài)壓降,。當(dāng)柵極上施以負電壓時。MOSFET內(nèi)的溝道消失,，PNP晶體管的基極電流被切斷,，IGBT即被關(guān)斷。

　　在IGBT導(dǎo)通之后,。若將柵極電壓突然降至零,，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零,，使集電極電流有所下降,，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子和空穴對，因而集電極電流不會馬上為零,，而出現(xiàn)一個拖尾時間,。

　　2 驅(qū)動電路的設(shè)計

　　2.1 IGBT器件型號選擇

　　1)IGBT承受的正反向峰值電壓

　　考慮到2-2.5倍的安全系數(shù)，可選IGBT的電壓為1 200 V,。

　　2)IGBT導(dǎo)通時承受的峰值電流,。

　　額定電流按380 V供電電壓、額定功率30 kVA容量算,。選用的IGBT型號為SEMIKRON公司的SKM400GA128D,。

　　2.2 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計要求

　　對于大功率IGBT，選擇驅(qū)動電路基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)斷偏置,、門極電荷,、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小,，對IGBT的通態(tài)壓降,、開關(guān)時間,、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響,。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系見表1,。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響,，而門極負偏壓則對關(guān)斷特性的影響比較大,。在門極電路的設(shè)計中，還要注意開通特性,、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問題(見表1),。

　　表1 IGBT門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系

　　由于IGBT的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路的變化而變化，因而驅(qū)動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作,。為使IGBT能可靠工作,。IGBT對其驅(qū)動電路提出了以下要

　　1)向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼驏艍骸２⑶以贗GBT導(dǎo)通后,。柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度,，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)。瞬時過載時,，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū),。IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān),，在漏源電流一定的情況下,，VGE越高，VDS儺就越低,，器件的導(dǎo)通損耗就越小,，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是,， VGE并非越高越好,，一般不允許超過20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路,，柵壓越高,，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大,。通常,，綜合考慮取+15 V為宜。

　　2)能向IGBT提供足夠的反向柵壓,。在IGBT關(guān)斷期間,，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號,，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài),，增加管子的功耗,。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此,，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓f幅值一般為5～15 V),，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。

　　3)具有柵極電壓限幅電路,，保護柵極不被擊穿,。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極,。

　　4)由于IGBT多用于高壓場合,。要求有足夠的輸人、輸出電隔離能力,。所以驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴格隔離,，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。

　　5)IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能的簡單,、實用,。應(yīng)具有IGBT的完整保護功能，很強的抗干擾能力,，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低,。

　　2.3 驅(qū)動電路的設(shè)計

　　隔離驅(qū)動產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動信號和被驅(qū)動的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐,，部分阻容元件由引腳接入,。這種產(chǎn)品主要用于IGBT的驅(qū)動，因IGBT具有電流拖尾效應(yīng),，所以光耦驅(qū)動器無一例外都是負壓關(guān)斷,。

　　M57962L是日本三菱電氣公司為驅(qū)動IGBT設(shè)計的厚膜集成電路，實質(zhì)是隔離型放大器,，采用光電耦合方法實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離,，隔離電壓高達2 500 V，并配置了短路/過載保護電路,。

　　M57962L可分別驅(qū)動600 V/200 A和600 V/400 A級IGBT模塊,，具有很高的性價比。本次課題設(shè)計中選用的IGBT最大電流400 A考慮其他隔離要求及保護措施,，選用了M57962L設(shè)計了一種IGBT驅(qū)動電路,。

　　圖1為M57962L內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，采用光耦實現(xiàn)電氣隔離,，光耦是快速型的,，適合高頻開關(guān)運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻(約185 Ω),，可將5 V的電壓直接加到輸入側(cè),。它采用雙電源驅(qū)動結(jié)構(gòu),，內(nèi)部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路、過電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口,，驅(qū)動電信號延遲最大為1.5us,。

圖1 M57962L的結(jié)構(gòu)框圖

　　當(dāng)單獨用M57962L來驅(qū)動IGBT時。有三點是應(yīng)該考慮的,。首先,。驅(qū)動器的最大電流變化率應(yīng)設(shè)置在最小的RG電阻的限制范圍內(nèi)，因為對許多IGBT來講,，使用的RG偏大時,，會增大td(on )(導(dǎo)通延遲時間)，td(off)(截止延遲時間),，tr(上升時間)和開關(guān)損耗,，在高頻應(yīng)用(超過5 kHz)時，這種損耗應(yīng)盡量避免,。另外,。驅(qū)動器本身的損耗也必須考慮。

　　如果驅(qū)動器本身損耗過大,，會引起驅(qū)動器過熱,，致使其損壞。最后,，當(dāng)M57962L被用在驅(qū)動大容量的IGBT時,，它的慢關(guān)斷將會增大損耗。引起這種現(xiàn)象的原因是通過IGBT的Gres(反向傳輸電容)流到M57962L柵極的電流不能被驅(qū)動器吸收,。它的阻抗不是足夠低,，這種慢關(guān)斷時間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應(yīng)用M57962L設(shè)計的驅(qū)動電路見圖2。

圖2 IGBT驅(qū)動電路

　　電源去耦電容C2 ～C7采用鋁電解電容器,，容量為100 uF/50 V，R1阻值取1 kΩ,，R2阻值取1.5kΩ,，R3取5.1 kΩ，電源采用正負l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳,，邏輯控制信號IN經(jīng)l3腳輸入驅(qū)動器M57962L,。雙向穩(wěn)壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V,，Z3為30 V,，防止IGBT的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅(qū)動電路,，二極管采用快恢復(fù)的FR107管,。

　　2.4 柵極驅(qū)動電阻的選擇

　　使用M57962L,，必須選擇合適的驅(qū)動電阻。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩,，減小集電極電流的上升率(di/dt),，需要在柵極回路中串聯(lián)電阻RG，若柵極電阻過大,，則IGBT的開通與關(guān)斷能耗均增加;若柵極電阻過小則使dic/dt 過大可能引發(fā)IGBT的誤導(dǎo)通,，同時R。上的能耗也有所增加,。所以選擇驅(qū)動電阻阻值時,，要綜合考慮這兩方面的因素，并防止輸出電流,，IOP超過極限值5 A.RG 的選取可以依據(jù)公式：

　　對大功率的IGBT模塊來說,，RGMIN數(shù)值一般按下式計算：

　　這是因為對于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動和防止內(nèi)部的振蕩,，模塊內(nèi)部的各個開關(guān)器件都會包含有柵極電阻器R G(INT) ,，R G(INT) 數(shù)值視模塊種類不同而不同，一般在0.75—3Ω 之間,，而f的數(shù)值則依靠柵極驅(qū)動電路的寄生電感和驅(qū)動器的開關(guān)速度來決定,，所以獲得 R GMIN 的最佳辦法就是在改變RG時監(jiān)測IOP，當(dāng)IOP達到最大值時,，RG達到極限值R GMIN ,。

　　但在使用中應(yīng)注意，RG不能按前面的公式計算,，而要略大于R GMIN ,。如RG過小會造成IGBT柵極注入電流過大，使IGBT飽和,，無法關(guān)斷,，即在驅(qū)動脈沖過去的一段時間內(nèi)IGBT仍然導(dǎo)通。

　　本設(shè)計中要驅(qū)動IGBT為大電流的功率器件,，所以在選擇RG時綜合上述的要求,，選取RG為3.5Ω。

　　3 結(jié)束語

　　本設(shè)計電路已經(jīng)成功應(yīng)用在助航燈恒流調(diào)光器電源中,，取得較好的實用效果,。