IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的,。
當(dāng)柵極施以正電壓時(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。此時(shí)從N+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴(少子)對(duì)N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,，減?、魠^(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(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(guò)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(duì),，因而集電極電流不會(huì)馬上為零，而出現(xiàn)一個(gè)拖尾時(shí)間,。
2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
2.1 IGBT器件型號(hào)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(shí)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(hào)為SEMIKRON公司的SKM400GA128D。
2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求
對(duì)于大功率IGBT,，選擇驅(qū)動(dòng)電路基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)斷偏置,、門(mén)極電荷、耐固性和電源情況等,。門(mén)極電路的正偏壓VGE負(fù)偏壓-VGE和門(mén)極電阻RG的大小,，對(duì)IGBT的通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間,、開(kāi)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(mén)極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系見(jiàn)表1,。柵極正電壓 的變化對(duì)IGBT的開(kāi)通特性,、負(fù)載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門(mén)極負(fù)偏壓則對(duì)關(guān)斷特性的影響比較大,。在門(mén)極電路的設(shè)計(jì)中,，還要注意開(kāi)通特性、負(fù)載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問(wèn)題(見(jiàn)表1),。
表1 IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系
由于IGBT的開(kāi)關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化,，因而驅(qū)動(dòng)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(duì)其驅(qū)動(dòng)電路提出了以下要求,。
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(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度,，使IGBT的功率輸出級(jí)總處于飽和狀態(tài)。瞬時(shí)過(guò)載時(shí),，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)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(guò)20 V,，原因是一旦發(fā)生過(guò)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(huì)在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號(hào),，這些信號(hào)輕則會(huì)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(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止,。
3)具有柵極電壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿,。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)超出此范圍就可能破壞柵極,。
4)由于IGBT多用于高壓場(chǎng)合,。要求有足夠的輸人、輸出電隔離能力,。所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)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(dòng)電路應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單,、實(shí)用,。應(yīng)具有IGBT的完整保護(hù)功能，很強(qiáng)的抗干擾能力,，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低,。
2.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來(lái)隔離輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)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(dòng)，因IGBT具有電流拖尾效應(yīng),，所以光耦驅(qū)動(dòng)器無(wú)一例外都是負(fù)壓關(guān)斷,。
M57962L是日本三菱電氣公司為驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)的厚膜集成電路，實(shí)質(zhì)是隔離型放大器,，采用光電耦合方法實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離,，隔離電壓高達(dá)2 500 V，并配置了短路/過(guò)載保護(hù)電路,。
M57962L可分別驅(qū)動(dòng)600 V/200 A和600 V/400 A級(jí)IGBT模塊,，具有很高的性?xún)r(jià)比,。本次課題設(shè)計(jì)中選用的IGBT最大電流400 A考慮其他隔離要求及保護(hù)措施，選用了M57962L設(shè)計(jì)了一種IGBT驅(qū)動(dòng)電路,。
圖1為M57962L內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,，采用光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的,，適合高頻開(kāi)關(guān)運(yùn)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(dòng)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(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)電流保護(hù)輸出信號(hào)端子和與TTL電平相兼容的輸入接口,，驅(qū)動(dòng)電信號(hào)延遲最大為1.5us,。
圖1 M57962L的結(jié)構(gòu)框圖
當(dāng)單獨(dú)用M57962L來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)。有三點(diǎn)是應(yīng)該考慮的,。首先,。驅(qū)動(dòng)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?yàn)閷?duì)許多IGBT來(lái)講,，使用的RG 偏大時(shí),，會(huì)增大td(on )(導(dǎo)通延遲時(shí)間)， t d(off) (截止延遲時(shí)間),，tr(上升時(shí)間)和開(kāi)關(guān)損耗,，在高頻應(yīng)用(超過(guò)5 kHz)時(shí)，這種損耗應(yīng)盡量避免,。另外,。驅(qū)動(dòng)器本身的損耗也必須考慮。
如果驅(qū)動(dòng)器本身?yè)p耗過(guò)大,，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器過(guò)熱,，致使其損壞。最后,，當(dāng)M57962L被用在驅(qū)動(dòng)大容量的IGBT時(shí),，它的慢關(guān)斷將會(huì)增大損耗。引起這種現(xiàn)象的原因是通過(guò)IGBT的Gres(反向傳輸電容)流到M57962L柵極的電流不能被驅(qū)動(dòng)器吸收,。它的阻抗不是足夠低,，這種慢關(guān)斷時(shí)間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應(yīng)用M57962L設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖2。
圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)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(fù)l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳,，邏輯控制信號(hào)IN經(jīng)l3腳輸入驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路,，二極管采用快恢復(fù)的FR107管。
2.4 柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇
使用M57962L,，必須選擇合適的驅(qū)動(dòng)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(guò)大，則IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷能耗均增加;若柵極電阻過(guò)小則使dic/dt 過(guò)大可能引發(fā)IGBT的誤導(dǎo)通,，同時(shí)R,。上的能耗也有所增加。所以選擇驅(qū)動(dòng)電阻阻值時(shí),，要綜合考慮這兩方面的因素,，并防止輸出電流，IOP超過(guò)極限值5 A.RG 的選取可以依據(jù)公式：
對(duì)大功率的IGBT模塊來(lái)說(shuō),，RGMIN數(shù)值一般按下式計(jì)算：
這是因?yàn)閷?duì)于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)和防止內(nèi)部的振蕩,，模塊內(nèi)部的各個(gè)開(kāi)關(guān)器件都會(huì)包含有柵極電阻器R G(INT) ,，R G(INT) 數(shù)值視模塊種類(lèi)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(dòng)電路的寄生電感和驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)速度來(lái)決定,，所以獲得 R GMIN 的最佳辦法就是在改變RG時(shí)監(jiān)測(cè)IOP，當(dāng)IOP達(dá)到最大值時(shí),，RG達(dá)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(jì)算,，而要略大于R GMIN ,。如RG過(guò)小會(huì)造成IGBT柵極注入電流過(guò)大，使IGBT飽和,，無(wú)法關(guān)斷,，即在驅(qū)動(dòng)脈沖過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)IGBT仍然導(dǎo)通。
本設(shè)計(jì)中要驅(qū)動(dòng)IGBT為大電流的功率器件，所以在選擇RG時(shí)綜合上述的要求,，選取RG為3.5Ω ,。
3 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)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(shí)用效果,。