IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理與設(shè)計(jì)技巧詳解

　　 本文著重介紹三個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)IGBT，保證IGBT的可靠工作，驅(qū)動(dòng)電路起著至關(guān)重要的作用，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的基本要求如下：

　?。?） 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開(kāi)通和關(guān)斷。

　?。?） 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時(shí)電流，使IGBT能迅速建立柵控電場(chǎng)而導(dǎo)通。

　?。?） 盡可能小的輸入輸出延遲時(shí)間，以提高工作效率。

　?。?） 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號(hào)電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣。

　　（5） 具有靈敏的過(guò)流保護(hù)能力。

　　驅(qū)動(dòng)電路EXB841/840

　　EXB841 工作原理如圖1，當(dāng)EXB841的14腳和15腳有10mA的電流流過(guò)1us以后IGBT正常開(kāi)通，VCE下降至3V左右，6腳電壓被 鉗制在8V左右，由于VS1穩(wěn)壓值是13V，所以不會(huì)被擊穿，V3不導(dǎo)通，E點(diǎn)的電位約為20V，二極管VD截止，不影響V4和V5正常工作。

　　當(dāng) 14腳和15腳無(wú)電流流過(guò)，則V1和V2導(dǎo)通，V2的導(dǎo)通使V4截止、V5導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過(guò)V5迅速放電，引腳3電位下降至0V，是 IGBT柵一 射間承受5V左右的負(fù)偏壓，IGBT可靠關(guān)斷，同時(shí)VCE的迅速上升使引腳6“懸空”。C2的放電使得B點(diǎn)電位為0V，則V S1仍然不導(dǎo)通，后續(xù)電路不動(dòng)作，IGBT正常關(guān)斷。

　　如有過(guò)流發(fā)生，IGBT的V CE過(guò)大使得VD2截止，使得VS1擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過(guò)R7放電，D點(diǎn)電位下降，從而使IGBT的柵一射間的電壓UGE降低 ，完成慢關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)。由EXB841實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的過(guò)程可知，EXB841判定過(guò)電流的主要依據(jù)是6腳的電壓，6腳的電壓不僅與VCE 有關(guān)，還和二極管VD2的導(dǎo)通電壓Vd有關(guān)。

　　典型接線方法如圖2，使用時(shí)注意如下幾點(diǎn)：

　　a、IGBT柵-射極驅(qū)動(dòng)回路往返接線不能太長(zhǎng)（一般應(yīng)該小于1m），并且應(yīng)該采用雙絞線接法，防止干擾。

　　b、由于IGBT集電極產(chǎn)生較大的電壓尖脈沖，增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG有利于其安全工作。但是柵極電阻RG不能太大也不能太小，如果 RG增大，則開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，使得開(kāi)通能耗增加;相反，如果RG太小，則使得di/dt增加，容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通。

　　c、圖中電容C用來(lái)吸收由電源連接阻抗引起的供電電壓變化，并不是電源的供電濾波電容，一般取值為47 F。

　　d、6腳過(guò)電流保護(hù)取樣信號(hào)連接端，通過(guò)快恢復(fù)二極管接IGBT集電極。

　　e、14、15接驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一般14腳接脈沖形成部分的地，15腳接輸入信號(hào)的正端，15端的輸入電流一般應(yīng)該小于20mA，故在15腳前加限流電阻。

　　f、為了保證可靠的關(guān)斷與導(dǎo)通，在柵射極加穩(wěn)壓二極管。

　　b、端口VL/Reset

　　這個(gè)端子是用來(lái)定義具有施密特性質(zhì)的輸入InA和InB的，使得輸入在2/3VL時(shí)開(kāi)通，在I/3 VL時(shí)作為關(guān)斷信號(hào)。當(dāng)PWM信號(hào)是TTL電平時(shí)， 該端子連接如圖3-5所示，當(dāng)輸入InA和InB信號(hào)為15V的時(shí)候，該端子應(yīng)該通過(guò)一個(gè)大約1K左右的電阻連接到++15V電源上，這樣開(kāi)啟和關(guān)斷電壓 分別應(yīng)該是lov和5V。另外，輸入U(xiǎn)L/Reset端還有另外的功能：如果其接地，則邏輯驅(qū)動(dòng)接口單元l.DI001內(nèi)的錯(cuò)誤信息被清除。

　　c、門(mén)極輸出端

　　門(mén)極輸出Gx端子接電力半導(dǎo)體的門(mén)極，當(dāng)SCALE驅(qū)動(dòng)器用15V供電的時(shí)候，門(mén)極輸出土15V.負(fù)的門(mén)極電壓由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生。使用如圖3-6 結(jié)構(gòu)的電路可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)通和關(guān)斷的速度的不一樣，增加了用戶(hù)使用的靈活性。

　　d、布局和布線

　　驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該盡可能近的和功率半導(dǎo)體放在一起，這樣從驅(qū)動(dòng)器到電力晶體管的引線就會(huì)盡可能的短，一般來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)器的連線盡量不要長(zhǎng) 過(guò)10厘米。同時(shí)一般要求到集電極和發(fā)射極的引線采用絞合線，還有可以在IGBT的門(mén)極和發(fā)射極之間連接一對(duì)齊納穩(wěn)壓二極管（15~18V） 來(lái)保護(hù)IGBT不會(huì)被擊穿。

　　驅(qū)動(dòng)模塊的模式選擇端MOD外接+15V電源，輸入引腳RC1和RC2接地，為直接工作模式。邏輯控制電平采用+15V，信號(hào)輸入管腳InA、 InB連 接在一起接收來(lái)自單片機(jī)的脈沖信號(hào)，進(jìn)行同步控制。2SD315A的SO1和SO2兩只管腳外接三極管和光耦用來(lái)向單片機(jī)輸出兩輸出通道的 工作狀態(tài)，其輸出端結(jié)構(gòu)皆為集電極開(kāi)路輸出，可以通過(guò)外接上拉電阻以適用于各種電平邏輯。 在管腳SO1、SO2和電源之間以及VisoX 和LSX之間加發(fā)光二極管進(jìn)行故障指示。正常情況下SO1和SO2輸出皆為高電平，上電后D3和D4先亮，延時(shí)幾秒后熄滅，同時(shí)D8和D15發(fā)亮。

　　當(dāng)檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)，SO1和SO2的輸出電平被拉低到地，即D3和D4發(fā)亮，同時(shí)D8和D15閃爍。2SD315A是通過(guò)監(jiān)測(cè)UCE（sat）來(lái) 判斷回路是否 短路和過(guò)流，當(dāng)檢測(cè)到一路或兩路發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，檢測(cè)電路會(huì)把異常狀態(tài)回饋到驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)并將它 鎖存，鎖存時(shí)間為1s，在這段時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)模塊不再輸出信號(hào)，而是將兩組IGBT及時(shí)關(guān)斷予以保護(hù)。同時(shí)，狀態(tài)輸出管腳SO1和SO2的高電平 被拉低，光耦TLP521導(dǎo)通，兩路狀態(tài)信號(hào)通過(guò)或門(mén)74LS32送給單片機(jī)。為防止因關(guān)斷速度太快在IGBT的集電極上產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，在門(mén)極輸出 端采用如圖所示的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通和關(guān)斷速度的不同。開(kāi)通時(shí)門(mén)極電阻為3.4Ω，關(guān)斷時(shí)電阻為6.8Ω，二極管采用快恢 復(fù)型，這樣就使關(guān)斷速度下降到安全水平。

　　 IGBT短路失效機(jī)理

　　 IGBT負(fù)載短路下的幾種后果

　?。?） 超過(guò)熱極限：半導(dǎo)體的本征溫度極限為250℃，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)本征溫度，器件將喪失阻斷能力，IGBT負(fù)載短路時(shí)，由于短路電流時(shí)結(jié)溫升 高，一旦超過(guò)其熱極限時(shí)，門(mén)級(jí)保護(hù)也相應(yīng)失效。

　?。?） 電流擎住效應(yīng)：正常工作電流下，IGBT由于薄層電阻Rs很小，沒(méi)有電流擎住現(xiàn)象，但在短路狀態(tài)下，由于短路電流很大，當(dāng)Rs上的壓降 高于0.7V時(shí)，使J1正偏，產(chǎn)生電流擎住，門(mén)級(jí)便失去電壓控制。

　　（3） 關(guān)斷過(guò)電壓：為了抑制短路電流，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，控制電路立即撤去正門(mén)級(jí)電壓，將IGBT關(guān)斷，短路電流相應(yīng)下降。由于短路電流大， 因此，關(guān)斷中電流下降率很高，在布線電感中將感生很高的電壓，尤其是在器件內(nèi)封裝引線電感上的這種感應(yīng)電壓很難抑制，它將使器件有過(guò)電流變?yōu)殛P(guān)斷過(guò)電壓而 失效。

　　IGBT過(guò)流保護(hù)方法

　?。?） 減壓法：是指在故障出現(xiàn)時(shí)，降低門(mén)級(jí)電壓。由于短路電流比例于外加正門(mén)級(jí)電壓Ug1，因此在故障時(shí)，可將正門(mén)級(jí)電壓降低。

　?。?） 切斷脈沖方法：由于在過(guò)流時(shí)，Uce電壓升高，我們利用檢測(cè)集電極電壓的方法來(lái)判斷是否過(guò)流，如果過(guò)流，就切斷觸發(fā)脈沖。同時(shí)盡 量采用軟關(guān)斷方式，緩解短路電流的下降率，避免產(chǎn)生過(guò)電壓造成對(duì)IGBT的損壞。