0 引言
隨著電力電子技術(shù)朝著大功率,、高頻化,、模塊化發(fā)展，絕緣柵雙極品體管(IGBT)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源,、變頻器,、電機控制以及要求快速,、低損耗的領(lǐng)域中。IGBT是復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件,，兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點：輸入阻抗高,，驅(qū)動功率小，通態(tài)壓降小,，工作頻率高和動態(tài)響應(yīng)快,。目前，市場上500~3000V,，800～l800A的IGBT,，因其耐高壓、功率大的特性,，已成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件,。
1 驅(qū)動保護電路的原則
由于是電壓控制型器件，因此只要控制ICBT的柵極電壓就可以使其開通或關(guān)斷,，并且開通時維持比較低的通態(tài)壓降,。研究表明，IGBT的安全工作區(qū)和開關(guān)特性隨驅(qū)動電路的改變而變化,。因此,，為了保證IGBT可靠工作，驅(qū)動保護電路至關(guān)重要,。
IGBT驅(qū)動保護電路的原則如下,。
(1)動態(tài)驅(qū)動能力強，能為柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖,；
(2)開通時能提供合適的正向柵極電壓(12~15V),，關(guān)斷時可以提供足夠的反向關(guān)斷柵極電壓(一5V)；
(3)盡可能少的輸入輸出延遲時間,，以提高工作效率,；
(4)足夠高的
輸入輸出電氣隔離特性，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣,；
(5)出現(xiàn)短路,、過流的情況下，具有靈敏的保護能力,。
目前,，在實際應(yīng)用中，普遍使用驅(qū)動與保護功能合為一體的IGBT專用的驅(qū)動模塊,。
2 集成驅(qū)動模塊
為了解決IGBT的可靠驅(qū)動問題,，世界上各廠家丌發(fā)出了眾多的IGBT集成驅(qū)動模塊。如日本富士公司的EXB系列,，三菱電機公司的M57系列,，三社電機公司的GH系列,，美國國際整流器公司的TR系列，Unitrode公司的UC37系列以及國產(chǎn)的HL系列,。以下是幾種典型的集成驅(qū)動模塊,。
2.1 EXB841模塊的分析
EX841高速驅(qū)動模塊為15腳單列直插式結(jié)構(gòu)，采用高隔離電壓光耦合器作為信號隔離,，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖l所示，其工作頻率可達40 kHz,，可以驅(qū)動400 M600 V以內(nèi)及300 A/l200 V的IGBT管,，其隔離電壓可達2500AC/min，工作電源為獨立電源20±1V,，內(nèi)部含有一5V穩(wěn)壓電路,，為ICBT的柵極提供+15V的驅(qū)動電壓，關(guān)斷時提供一5V的偏置電壓,，使其可靠關(guān)斷,。當腳15和腳14有10 mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT在1μs內(nèi)導(dǎo)通,；而當腳15和腳14無電流通過時,，腳3輸出低電平使IGBT關(guān)斷；若ICBT導(dǎo)通時因承受短路電流而退出飽和,，Vce迅速上升,，腳6懸空，腳3電位在短路后約3．5μs后才開始軟降,。
EXB841典型應(yīng)用圖如圖2所示,，電容C1、C2用于吸收高頻噪音,。當腳3輸出脈沖的同時,，通過快速二極管D1檢測IGBT的C—E間的電壓。當Vce>7V時,，過流保護電流控制運算放大器,，使其輸出軟關(guān)斷信號，在10μs內(nèi)將腳3輸出電平降為O,。因EXB841無過流自鎖功能,，所以外加過流保護電路，一旦產(chǎn)生過流,，可通過外接光耦TLP521將過流保護信號輸出,，經(jīng)過一定延時，以防止誤動作和保證進行軟關(guān)斷,，然后由觸發(fā)器鎖定,，實現(xiàn)保護,。
缺點：EXB84l過流保護閥值過高，Vce>7V時動作,，此時已遠大于飽和壓降,；存在保護肓區(qū)；在實現(xiàn)止常關(guān)斷時僅能提供一5V偏壓,，在開關(guān)頻率較高,、負載過大時，關(guān)斷就顯得不可靠,；無過流保護自鎖功能,，在短路保護時其柵壓的軟關(guān)斷過程被輸入的關(guān)斷信號所打斷。
2．2 M57962L模塊的分析
M57962AL是一種14腳單列直捕式結(jié)構(gòu)的厚膜驅(qū)動模塊,，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。它由光耦合器、接口電路,、檢測電路,、定時復(fù)位電路以及門關(guān)斷電路組成，驅(qū)動功率大,，町以驅(qū)動600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模塊,。
M5796AL具有高速的輸入輸出隔離，絕緣電壓也可達到AC 2500V/min,；輸入電平與TTL電平兼容,，適于單片機控制；內(nèi)部有定時邏輯短路保護電路,，同時具有延時保護特性,；采用雙電源供電方式，相對于EXB84l來說,，雖然多使用一個電源．但IGBT可以更可靠地通斷,。
典型應(yīng)用圖如圖4所示。當驅(qū)動信號通過腳14和腳13時,，經(jīng)過高速光耦隔離,，由M57962AL內(nèi)置接口電路傳輸至功率放大極，在M57962AL的腳5產(chǎn)生+15V開柵和一10V關(guān)柵電壓,，驅(qū)動IGBT通斷,。當腳1檢測到電壓為7V時，模塊認定電路短路,，立即通過光耦輸出關(guān)斷信號,，使腳5輸出低電平，從而將IGBT的G—E兩端置于負向偏置,，可靠關(guān)斷,。同時,，輸出誤差信號使故障輸出端(腳8)為低電平，從而驅(qū)動外接的保護電路工作,。延時2～3s后,，若檢測到腳13為高電平，則M57962AL恢復(fù)工作,。穩(wěn)壓管DZ1用于防止D1擊穿而損壞M57962AL,，Rg為限流電阻，DZ2和DZ3起限幅作用,，以確?？煽客〝唷?/p>
比較：與EXB841相比,，M57962AL需要雙電源(+15V，一1OV)供電,，外周電路復(fù)雜,。而正是因為M57962AL可輸出一10V的偏壓，使得IGBT可靠地關(guān)斷,；另外,，M57962AL具有過流保護自動閉鎖功能，并且軟關(guān)斷時間可外部調(diào)節(jié),，而EXB84l的軟關(guān)斷時間無法調(diào)節(jié),。所以M57962AL較EXB841更安全、可靠,。
2.3 HL402模塊的分析
HL402是17腳單列直插式結(jié)構(gòu),，內(nèi)置有靜電屏蔽層的高速光耦合器實現(xiàn)信號隔離，抗干擾能力強,，響應(yīng)速度快,，隔離電壓高。它具有對IGBT進行降柵壓,、軟關(guān)斷雙重保護功能,，在軟關(guān)斷及降柵壓的同時能輸出報警信號，實現(xiàn)封鎖脈沖或分斷主回路的保護,。它輸出驅(qū)動電壓幅值高,，正向驅(qū)動電壓可達15～17V，負向偏置電壓可達10～12V,，因而可用來直接驅(qū)動容量為400A/600V及300A/1200V以下的IGBT,。
HL402結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5中,，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器,，它用來實現(xiàn)與輸入信號的隔離,。由于它具有靜電屏蔽，因而顯著提高了HL402抗共模干擾的能力,。圖5中U1為脈沖放大器,，S1、S2實現(xiàn)驅(qū)動脈沖功率放大,，U2為降柵壓比較器,，正常情況下由于腳9輸入的IGBT集電極電壓VCE不高于U2的基準電壓VREF，U2不翻轉(zhuǎn),，S3不導(dǎo)通,，故從腳17和腳16輸入的驅(qū)動脈沖信號經(jīng)S2整形后不被封鎖。該驅(qū)動脈沖經(jīng)S2,、S2放大后提供給IGBT使其導(dǎo)通或關(guān)斷,，一旦IGBT退飽和，則腳9輸入集電極電壓給IGBT使其導(dǎo)通或關(guān)斷,，并且腳9輸入的集電極電壓采樣信號VCE高于U2的基準電壓VREF,，比較器U2翻轉(zhuǎn)輸出高電平，使S3導(dǎo)通,，由穩(wěn)壓管DZ2將驅(qū)動器輸出的柵極電壓VGE降低到10V,。此時，軟關(guān)斷定時器U3在降柵壓比較器U2翻轉(zhuǎn)達到設(shè)定的時間后,，輸出正電壓使S4導(dǎo)通,，將柵極電壓軟關(guān)斷降到IGBT的柵射極門限電壓，給IGBT提供一個負的驅(qū)動電壓,，保證IGBT可靠關(guān)斷,。
HL402典型應(yīng)用圖如圖6所示。在實際電路中,，C1,、C2、C3,、C4需盡可能地靠近H1402的腳2,、腳l、腳4安裝,。為了避免高頻耦合及電磁干擾,，由HL402輸出到被驅(qū)動IGBT柵射極的引線需要采用雙絞線或同軸電纜屏蔽線，其引線長度不超過1m,。腳9和腳13接至IGBT集電極的引線必須分開走,，不得與柵極和發(fā)射極引線絞合，以免引起交叉干擾。光耦合器L1可輸入脈沖封鎖信號,，當L1導(dǎo)通時,，HLA02輸出脈沖立即被封鎖至-10V。光耦合器L2提供軟關(guān)斷報警信號,，它在軀動器軟關(guān)斷的同時導(dǎo)通光耦合器L3,，提供降柵壓報警信號。使用中,，通過調(diào)整電容器C5,、C6、C7的值,，可以將保護波形中的降柵壓延遲時間,、降柵壓時間、軟關(guān)斷斜率時間調(diào)整至合適的值,。在高頻應(yīng)用時,，為了避免IGBT受到多次過電流沖擊，可在光耦合器L2輸出數(shù)次或1次報警信號后,，將輸入腳16和腳17間的信號封鎖,。
小結(jié)：以上三者中，M57962AL和HL402都采用陶瓷基片黑色包裝,，EXB841采用覆銅板黃色包裝,，由于陶瓷基片的散熱性能和頻率特性比覆銅板好,，HL402的負載能力和散熱性能最好,，加之合理的布局設(shè)計，在三者中的工作頻率最高,，保護功能最全,，而EXB841和M57962AL都沒有降柵壓保護功能。另外,，HL402和M57962AL提供負偏壓的穩(wěn)壓管,，放于外部，既有靈活性又提高了可靠性,，而EXB841的穩(wěn)壓管在內(nèi)部,，經(jīng)常因穩(wěn)壓管的損壞而失效。因此,，HL402憑借其優(yōu)越的性能可以彌補另外兩者的缺陷,。
2．4 GH-039模塊的分析
GH-039采用單列直插式12腳封裝，功耗低,、工作中發(fā)熱很小,，可以高密度使用它采用單電源工作，內(nèi)置高速光耦合器，帶有軟關(guān)斷過流保護電路,，過流保護除閉鎖自身輸出外,，還給出供用戶使用的同步輸出端。它可以用來直接驅(qū)動300A/600V以下的IGBT模塊,。
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7所示,，工作原理與EXB和M57系列模塊相類似，這里不再贅述,。而與EXB系列和M57系列的模塊不同的是該模塊已含有保護后發(fā)送報警或動作信號的光耦合器,，所以使用中不需要像EXB和M57系列的模塊外接光耦合器，因而更加方便,，其性能比EXB和M57系列的模塊在保護性能上更加優(yōu)越,；在可靠性方面，由于GH-039是單電源供電,，不能提供負偏壓,，從而導(dǎo)致ICBT不能可靠地關(guān)斷。與HL402相比,，CH-039保護功能還不完善,，它也同EXB841和M57962AL一樣無降柵壓保護。因此,，GH-039驅(qū)動模塊也是有缺陷的,。
GH-039典型接線圖如圖8所示。工作電源VCC為26V,；為了保持電壓穩(wěn)定,，濾波電容器應(yīng)盡可能靠近GH一039模塊安裝和使用，且其電容值不能小于10μF,，并應(yīng)選用高質(zhì)量的電容,；串入GH-039腳12與ICBT集電極之間的二極管D1，應(yīng)選超快速恢復(fù)二極管,，并且要保證其反向耐壓不低于ICBT的集電極與柵極之間的額定電壓,；為防止所連接的過流保護端子光電隔離器的誤動作，應(yīng)在D1與GH一039的腳12之間串入100Ω的電阻,；接于腳lO與腳12之間的D2選用超快速恢復(fù)二極管,，其反向耐壓可以低于IGBT的集射極間耐壓。
2．5 其他驅(qū)動器
(1)IR系列驅(qū)動器 IR系列驅(qū)動器主要是為驅(qū)動橋臂電路而設(shè)計的,，該芯片具有14腳,，DIP封裝。它具有過流保護和欠壓保護功能,，特別是它具有自舉浮動電源大大簡化了驅(qū)動電源的設(shè)計,，只用一路電源即可驅(qū)動多個功率器件,。其缺點是本身不能產(chǎn)生負偏壓，當用于驅(qū)動橋式電路時,，由于米勒效應(yīng)的作用,，在開通與關(guān)斷時刻，容易在柵極上產(chǎn)生干擾,，造成橋臂短路,；另外IR系列驅(qū)動器采用了不隔離的驅(qū)動方式，在主電路的功率器件損壞時,，高壓可能直接串入驅(qū)動器件,，致使驅(qū)動模塊及前極電路損壞。
(2)UC37系列驅(qū)動器 該系列驅(qū)動器一般由UC3726和UC3727兩片芯片配對使用,，其工作頻率較高,，但在兩芯片之間需增加脈沖變壓器，給電路的使用和設(shè)計帶來
不便,，因此該系列驅(qū)動器在我同并未得到推廣,。
3 結(jié)語
通過以上分析比較，可得到如下結(jié)論,。
(1)以上6個系列的驅(qū)動器均能實現(xiàn)對IGBT的驅(qū)動與保護,；
(2)EXB84l外周電路簡單，僅需單電源供電,，是最早進入我國市場的ICBT驅(qū)動模塊,，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛,；
(3)EXB841與M57962AL在IGBT關(guān)斷期間均能在柵極上施加負電壓,，進一步保證了IGBT的可靠關(guān)斷；
(4)EXB841,、M57962AL,、GH一039和HL402都是自身帶有對IGBT進行退飽和及過流保護功能的ICBT驅(qū)動模塊,，且都是通過檢測IGBT集射極間的電壓來完成保護功能的,。但EXB841、M57962AL,、GH一039在ICBT出現(xiàn)退飽和或過流時,，僅可進行軟關(guān)斷的保護。而HL402不但能進行軟關(guān)斷保護,，還可進行降柵壓保護,。因此，HL402是四者中保護功能最強,，保護功能設(shè)計最合理和保護性能使用最方便的IGBT驅(qū)動器,；
(5)驅(qū)動相同個數(shù)的IGBT功率開關(guān)時，IR系列所需工作電源最少，但不具有負偏壓,，容易造成橋臂短路,，適用于小功率驅(qū)動場合。