浅析IGBT门级驱动

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：
I_GP=△U_ge/R_G+R_g；
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：
P_AV=C_ge△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。