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浅析IGBT门级驱动

作者:dolphin时间:2011-05-11浏览次数:4663

绝缘栅双极晶体管IGBT是第三代电力电子器件,安全工作,它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身,具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40 kHz)的特点,是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。在此根据长期使用IGBT的经验并参考有关文献对IGBT的门极驱动问题做了一些总结,希望对广大IGBT应用人员有一定的帮助。

1 IGBT门极驱动要求
1.1 栅极驱动电压
因IGBT栅极-发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行驱动,但IGBT的输入电容较MOSFET大,所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。图1是一个典型的例子。在+20℃情况下,实测60 A,1200 V以下的IGBT开通电压阀值为5~6 V,在实际使用时,为获得最小导通压降,应选取Ugc≥(1.5~3)Uge(th),当Uge增加时,导通时集射电压Uce将减小,开通损耗随之减小,但在负载短路过程中Uge增加,集电极电流Ic也将随之增加,使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄,因此Ugc的选择不应太大,这足以使IGBT完全饱和,同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中,如在电机中使用IGBT时,+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值,以提高其耐短路能力)。


1.2 对电源的要求
对于全桥或半桥电路来说,上下管的驱动电源要相互隔离,由于IGBT是电压控制器件,所需要的驱动功率很小,主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电,要求能提供较大的瞬时电流,要使IGBT迅速关断,应尽量减小电源的内阻,并且为防止IGBT关断时产生的du/dt误使IGBT导通,应加上一个-5 V的关栅电压,以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿,一般为-2~10 V之间)。

1.3 对驱动波形的要求
从减小损耗角度讲,门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭,前沿很陡的门极电压使IGBT快速开通,达到饱和的时间很短,因此可以降低开通损耗,同理,在IGBT关断时,陡峭的下降沿可以缩短关断时间,从而减小了关断损耗,发热量降低。但在实际使用中,过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下,IGBT过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压Ldi/dt,并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时,应根据电路中元件的耐压能力及du/dt吸收电路性能综合考虑。

1.4 对驱动功率的要求
由于IGBT的开关过程需要消耗一定的电源功率,最小峰值电流可由下式求出:
IGP=△Uge/RG+Rg
式中△Uge=+Uge+|Uge|;RG是IGBT内部电阻;Rg是栅极电阻。
驱动电源的平均功率为:
PAV=Cge△Uge2f,
式中.f为开关频率;Cge为栅极电容。

1.5栅极电阻
为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡,减小IGBT集电极的电压尖峰,应在IGBT栅极串上合适的电阻Rg。当Rg增大时,IGBT导通时间延长,损耗发热加剧;Rg减小时,di/dt增高,可能产生误导通,使IGBT损坏。应根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取Rg的数值。通常在几欧至几十欧之间(在具体应用中,还应根据实际情况予以适当调整)。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏IGBT,建议在栅射间加入一电阻Rge,阻值为10 kΩ左右。

1.6栅极布线要求
合理的栅极布线对防止潜在震荡,减小噪声干扰,保护IGBT正常工作有很大帮助。
a.布线时须将驱动器的输出级和lGBT之间的寄生电感减至最低(把驱动回路包围的面积减到最小);
b.正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路,防止功率电路和控制电路之间的耦合;
c.应使用辅助发射极端子连接驱动电路;
d.驱动电路输出不能和IGBT栅极直接相连时,应使用双绞线连接(2转/cm);
e.栅极保护,箝位元件要尽量靠近栅射极。

1.7隔离问题
由于功率IGBT在电力电子设备中多用于高压场合,所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离,主要的途径及其优缺点如表1所示。

表1 驱动电路与控制电路隔离的途径及优缺点
优点缺点
利用光电耦合器进行隔离体积小、结构简单、应用方便、输出脉宽不受限制,适用于PWM控制器1、共模干扰抑制不理想
2、响应速度慢,在高频状态下应用受限制
3、需要相互隔离的辅助电源
利用脉冲变压器进行隔离响应速度快,共模干扰抑制效果好1、信号传送的最大脉冲宽度受磁芯饱和特性的限制,通常不大于50%,最小脉宽受磁化电流限制
2、受漏感及集肤影响,加工工艺复杂


2 典型的门极驱动电路介绍
2.1 脉冲变压器驱动电路
脉冲变压器驱动电路如图2所示,V1~V4组成脉冲变压器一次侧驱动电路,通过控制V1、V4和V2、V3的轮流导通,将驱动脉冲加至变压器的一次侧,二次侧通过电阻R1与IGBT5栅极相连,R1、R2防止IGBT5栅极开路并提供充放电回路,R1上并联的二极管为加速二极管,用以提高IGBT5的开关速度,稳压二极管VS1、VS2的作用是限制加在IGBT5g-e端的电压,避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过20 V。

关键词: 浅析 门级 驱动

解决方案


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广州华工科技 · 2016-12-23 15:20:19

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