孫偉

（羅克韋爾自動化控制集成（上海）有限公司 上海市 201201）

IGBT 也稱為絕緣柵雙極晶體管, 集場效應管和電力晶體管的優(yōu)點于一身, 既具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅動電路簡單的優(yōu)點, 又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，產(chǎn)品的用途越來越廣泛，驅動方法也是各式各樣，可靠的驅動方法尤其重要。由于IGBT 的廣泛使用，其產(chǎn)品也越來越多小到幾安培，大到幾千安培都有。而且廠家也多，除了國際大廠，越來越多的國產(chǎn)廠商也在開發(fā)IGBT 或者IGBT 模塊。

在工業(yè)領域，IGBT 主要用做變頻器里面的開關器件，而IGBT又是現(xiàn)場損壞最為嚴重的器件之一，對于大功率的變頻產(chǎn)品尤其如此。對與變頻器應用來說，核心是驅動電路。驅動電路就是把中央控制器發(fā)來的命令，轉變成IGBT 開關的信號。因此，驅動電路設計的好壞直接決定整個設備的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。又因為IGBT 種類繁多，驅動電路也是各式各樣，這也增加了IGBT 驅動電路設計的復雜度。

1 IGBT驅動的研究與分析

對于IGBT 的驅動電路，如果僅僅是對一個IGBT 的驅動，那么其驅動電路很簡單，只需根據(jù)IGBT 的特性，提供一個門極驅動電壓就行，通常為15V。而對于變頻器而言，通常是個全橋的逆變，那么每一個橋臂有兩個IGBT，對于下橋臂而言，其驅動電路設計相對簡單，但是對于上橋臂，柵極驅動電壓必須是相對上下橋臂中間的點，而不是地，因此實現(xiàn)起來就需要有不同的策略，這也是變頻器驅動電路的難點所在。

小功率的變頻器驅動電路，在不采用負偏壓的時候，通?？梢杂米耘e電路實現(xiàn)，這種方法成本低，在電路上也易于實現(xiàn)?？梢灾苯佑霉怦钸M行電路的驅動，同時此光耦還實現(xiàn)了對驅動電路的開關信號的隔離。IGBT 驅動電路的供電電源可以幾路共享一個，相與相之間只需要用二極管進行簡單的隔離就可以。圖1 給出了一種自舉類型的小功率IGBT 驅動電路的示意圖，不需要負偏壓，只需要通過光耦隔離，實現(xiàn)對IGBT 的驅動。

對于電路中的下橋臂IGBT 驅動，就類似單個IGBT 驅動，而對于上橋臂的IGBT，就要通過電容C1 的自舉提供上管柵極驅動電壓。驅動信號下正上負的時候，上橋臂Q1 截止，下橋臂Q2 導通，16VDC 除了用于給Q2 的柵極提供驅動電源，還通過D1，R1給C1 的兩端充電，充電電壓為16VDC - VCE_Q2，通常接近15V。當驅動信號為上正下負的時候，上橋臂Q1 導通，下橋臂Q2 截止，這時候Q1 柵極電壓就是電容C1 兩端的電壓，也就剛才Q2 導通的時候，給電容充電充到接近15V 的電壓，也就是自舉電壓，C1 類似于一個小電源通過U1 的8 腳、7 腳給Q1 的柵極提供開通所需要的能量，這樣Q1 就能正常開通，而且在Q1 的發(fā)射極電壓升高以后，柵極和發(fā)射極始終存在著電容C1 兩端的電壓差，選擇合適的容量的電容就可以在開通狀態(tài)時提供足夠的能量。二極管D1 是為了隔離C1 和16V 電源，從而實現(xiàn)電位的自舉，這樣在下管關閉以后，使得上管的柵極電壓相對發(fā)射極同樣能達到15V 左右，如果沒有二極管D1，那么U1 的8 腳就會被限制在16V 了，不能隨發(fā)射極變化，Q1 就無法開通。電阻R1 是為了限制電容的充電電流過大而燒壞二極管。

圖1：小功率IGBT 驅動電路

圖2：大功率IGBT 驅動框圖

這種自舉電路的上橋臂靠電容儲能提供驅動能量，驅動能力有限，其主要優(yōu)點是減少了隔離驅動電源的路數(shù)，使結構更加緊湊，更先進一點的驅動電路通常是使用負偏壓，是為了更快的關斷IGBT。對于小功率電路來說有很多的類似的光耦可以用來實現(xiàn)對IGBT 的驅動，但是對于大功率的變頻器就無法工作，因為大功率變頻器中的IGBT 需要的大驅動電流是光耦不能滿足的，因此必須對光耦輸出的驅動電流進行放大。

2 大功率IGBT驅動電路的設計

對于中大功率的IGBT，由于其內(nèi)部是多個小IGBT 器件的并聯(lián)，對驅動能力的要求也隨之增加，僅僅一個光耦的驅動能力不足以驅動大功率IGBT。因此大功率IGBT的驅動通常需要更多的能量，而隔離光耦的驅動能力通常只有2A 左右，因此不再適合直接驅動大功率IGBT。同時為了快速的關斷大功率IGBT，還需要提供負偏壓?；诖藢τ诖蠊β实腎GBT 驅動電路而言，除了對信號隔離，通常還需要一個隔離電源，而且還需要提供負偏壓，加速IGBT 的關斷。

由于三相變頻器的電路是平行的設計，因此電路的設計方案以其中的一相為例畫出了其設計框圖，如圖2。

由圖2 中可以看出，一相中包含有兩個IGBT，稱為上橋臂IGBT 和下橋臂的IGBT。電源模塊是一個反激式開關電源，至少有6 路隔離輸出，每一路輸出為25V，用于給三相IGBT 中的驅動電路供電，這樣IGBT 的上下橋臂就完全隔離開了，上橋臂不需要自舉電路，也能正常驅動。由于電源分開了，上、下橋臂驅動電路就完全一樣。每一路包含一個光耦，用于隔離控制器和IGBT；信號放大電路給大功率IGBT 提供更大的驅動電流，讓其安全的開通和關斷。處理器發(fā)出的驅動信號是SPWM 信號，通過兩個IO 口來實現(xiàn)對上下兩個橋臂IGBT 的控制。當SPWM 輸出信號上面是高電平，下面是低電平的時候，電流從上橋臂的光電二極管流過，上面光耦導通，此時下橋臂的輸入電平的方向與上橋臂相反，因此下橋臂光耦不能導通。同理，當SPWM 輸出信號上面是低電平，下面是高電平的時候，那么此時就是下橋臂光耦導通，上橋臂光耦截止。

這種設計方法實現(xiàn)了信號互鎖功能。在變頻器中，上下橋臂的IGBT 不能同時導通，否則將會導致母線短路，直接燒壞IGBT，通過信號互鎖的功能，SPWM 的信號只有一高一低的時候才能讓其中一個IGBT 導通；SPWM 同時為高電平或者同時為低電平IGBT 是不會導通的，同時抑制了共模干擾，防止誤觸發(fā)，實現(xiàn)了對IGBT的保護。

隔離器件采用的是光耦HCNW3120，對于小型的IGBT 可以直接驅動，其驅動電流為2A。輸入IF 電流閥值2.5mA，平均正向導通電流可達25mA，電源電壓最高可達35V，輸出電流±2A，隔離電壓1414V，可直接驅動高達100A/1200V 的IGBT 模塊，但是對于大功率的IGBT 因為輸出電流小不適合單獨使用。

由于處理器不能提供大的驅動電流，設計的時候使用了線性驅動芯片74AC541，以提高其驅動能力，其輸出可達到20mA，把處理器發(fā)出的信號進行線性驅動芯片放大。用它來驅動光耦芯片HCNW3120，相比離散晶體管驅動可以簡化設計，提高傳輸性能。

3 大功率IGBT驅動電路的實現(xiàn)

本設計是以光耦HCNW3120 作為主控制信號和IGBT 的驅動信號之間的隔離器件，利用三極管和MOS 管以及電阻電容等離散器件設計驅動信號放大部分的電路，滿足大功率IGBT 對柵極驅動電流的需求。本IGBT 的驅動電路于采用隔離電源分別給各個橋臂供電，所有的IGBT 的驅動電路都是相互獨立而電路一樣，這也簡化了設計。圖3 給出了其中任意一相的上、下橋臂控制信號隔離后詳細設計電路。

分析這個電路，只需要看其中一個橋臂的電路就可以，由于驅動電源是隔離的，無需自舉也能提供柵極壓差，這里以上橋臂為例對這個電路進行分析。光耦只是提供SPWM 的隔離驅動開關信號，電容C2 作為光耦的濾波器，電容C1 為其儲能濾波電容，當光耦U1 的7 腳輸出高電平的時候，Q2 截止，Q4 導通，因此Q5 截止，Q1 導通，這樣上橋電源通過Q1 和柵極開通電阻R2 加到了IGBT的柵極上，IGBT 迅速開通。反過來，當光耦U1 的7 腳輸出為低電平的時候，Q2 導通，Q4 關閉，因此Q1 不通而Q5 導通。IGBT的關閉回路就由柵極，經(jīng)過柵極關斷電阻R10 和三極管Q5 返回，IGBT 快速關斷。為了快速關斷，通過D1，R5，R12 和C6 實現(xiàn)柵極負偏壓， C6 正極連接在IGBT 的發(fā)射極，在關斷的時候相當于把IGBT 柵極接到了負偏電壓，實際上電源只有一個，簡化了電源設計，只需要一個電源就夠了。

二極管D2 和D4 為肖特基二極管，其作用是讓三極管Q4 和Q7 工作在飽和狀態(tài)，以提高三極管的開關速度。瞬態(tài)抑制二極管D5 是防止柵極出現(xiàn)電壓尖峰的保護二極管。

柵極和發(fā)射極間的電容C4、C5 和R9 是用來控制開關速度，通過降低di/dt 來減小開關損耗，同時還可以防止IGBT 的米勒效應的。 C4 和C5 用來分擔米勒電容產(chǎn)生的柵極充電電流，因為此時驅動回路的總輸入電容變成了Cies、C4 和C5 并聯(lián)值，在這種情況，給柵極充電達到IGBT 開通的電壓閾值就需要更多的電荷，米勒電容不能提供如此高的能量，那就保護了IGBT。當然增加電容C4和C5 會導致驅動電源功耗增加，在相同的門極驅動電阻下，IGBT的開關損耗也會相應地增加，因此要根據(jù)手冊和實驗選擇合適的電容值。電阻R9 是給柵極和發(fā)射極之間提供一個等電位，作用是防止IGBT 柵極電荷積累，防止在未接驅動引線的情況下，偶然加主電高壓，通過米勒電容燒毀IGBT。

對于大功率IGBT 而言，通常采用獨立的柵極開通和關斷電阻，門極開通電阻減小RGon影響IGBT 導通期間的門極充電電壓和電流；增大這個電阻將減小門極充電的電壓和電流，但會增加開通損耗。減小RGon，IGBT 的柵極電容充電快，開關時間短，開關損耗小，但RG較小時使得IGBT 開通時di/dt 變大，從而引起較高的du/dt，即電流沖擊，增加續(xù)流二極管恢復時的浪涌電壓，通常IGBT 的器件數(shù)據(jù)手冊里面給出了開通電阻的大小。柵極關斷電阻取值為開通電阻的3 倍左右，目的就在于有效地抑制IGBT 關斷時產(chǎn)生過壓尖峰，尖峰大于開通波形，可能會損壞器件。取值過大會增大IGBT的損耗，使得發(fā)熱量增大。較小的RGOFF同樣也能減少IGBT 的關斷損耗，有效抑制寄生米勒電容引起的導通，但是在關斷期間由于雜散電感會產(chǎn)生很高的過壓尖峰和柵極震蕩。因此開通電阻和關斷電阻的選擇要做一個較好的平衡。

4 驅動電路的實驗結果

圖3：IGBT 驅動電路

這里以600A 的大功率IGBT 模塊FF600R12IP4 為例，驗證本文設計的驅動電路。柵極電阻的選擇如下式，這需要參考數(shù)據(jù)手冊Datasheet（DS）。

查詢器件手冊中給出的柵極電阻為1.8 歐姆，柵極驅動電阻為RGext_DS為2.2ohm，驅動電壓VGE_DS = ±15V。本設計中電源的柵極壓差也就是驅動電源電壓為25V，代入上式可以求出驅動電阻RGext大約為1.5 歐姆。柵極關斷電阻選擇為4.7 歐姆。柵極和發(fā)射極間并了80nF 的電容用于控制開關速度。又因為柵極驅動功率公式為：

其中F 為驅動基頻頻率，變頻器中通常最高為4KHz， 驅動電壓和負偏壓的差值為25V，也就是驅動供電電源的輸出電壓，柵極電荷從IGBT 器件手冊中可以查得為4.4uC。帶入上式可以求得柵極驅動功率為0.44W。

驅動電阻的功率通常選為驅動功率的2 倍，故選擇1W 的電阻。同時也可以算出IGBT 的驅動峰值驅動電流為：

可以求得峰值驅動電流為7.58A，在設計驅動電源的時候，要滿足這個條件，確保其有足夠大的瞬時輸出電流提供到IGBT 柵極。

選定上述參數(shù)以后，設計電路裝好機器運行以后，實驗測得的波形如圖4 所示。根據(jù)此圖可以看出，驅動信號平滑，很好的實現(xiàn)了對IGBT 的驅動功能。

5 結論

圖4：實驗波形

本文通過驅動一個600A 的IGBT 作為例子，驗證結果表明了此電路的完全可以用于大功率IGBT 的驅動，同時也可以在不更換元器件的情況下驅動900A 的IGBT。此大功率IGBT 驅動電路有非常好的通用性，簡單易用，只需要通過更換不同的柵極開通和關斷電阻及柵極電容就能驅動不同功率的IGBT。因此可以廣泛用于各個行業(yè)的IGBT 驅動設計中，同時簡化一下，去掉信號放大部分，就能支持中小功率IGBT 驅動，大大縮短了開發(fā)時間。由于設計的統(tǒng)一性，不同功率段變頻器使用相似的驅動電路架構，則產(chǎn)品的可靠性也會隨之提高。