摘要：文中對大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)的開關(guān)特性、驅(qū)動要求進行了分析和討論，介紹了一種高頻條件下實用的IGBT驅(qū)動電路，并通過理論分析和仿真波形說明了該驅(qū)動電路的有效性和適用性。

　　關(guān)鍵字：高頻;絕緣門極雙極型晶體管;驅(qū)動電路;IGBT

　　0 引言

　　絕緣門極雙極型晶體管是復(fù)合了功率場效應(yīng)管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動電路簡單、飽和壓降低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應(yīng)用相當廣泛。但是IGBT良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動電路設(shè)計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應(yīng)用。本文分析了IGBT對其柵極驅(qū)動電路的要求，設(shè)計了一種適用于高頻條件下小功率電路可靠穩(wěn)定的分立式IGBT驅(qū)動電路。

　　1 IGBT驅(qū)動電路的基本要求

　　IGBT的驅(qū)動電路是IGBT與控制電路之間的接口，實現(xiàn)對控制信號的隔離、放大和保護，驅(qū)動電路對IGBT的正常工作及其保護起著非常重要的作用，門極電路的正偏壓uGS，負偏壓-uGS和門極電阻Rc的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)、開關(guān)損耗、承受短路能力參數(shù)有不同的程度的影響，因此驅(qū)動電路設(shè)計對IGBT的動態(tài)和靜態(tài)性能都有重要影響，對驅(qū)動電路提出以下要求：

　?、賱討B(tài)驅(qū)動能力強，能為柵極驅(qū)動電壓脈沖提供充分大上升率和下降率，以減小開通和關(guān)斷損耗。但是，由于主電路中存在分布電感及濾波電容的串聯(lián)電感，隨著IGBT的高速開通與關(guān)斷將在電路中產(chǎn)生高頻幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓Ldi/dt，該尖峰電壓應(yīng)用常規(guī)的過電壓吸收電路是吸收不掉的，因而有可能造成IGBT自身或電路中其他元件過電壓擊穿而損壞。所以，主電路應(yīng)盡可能使用短引線或雙絞線降低分布電感的影響，而且IGBT開關(guān)時間也不能過短，其值應(yīng)根據(jù)所有元件及IGBT自身的承受du/dt的能力綜合考慮。

　?、谀芟騃GBT提供適當?shù)恼驏艠O電壓，IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān)，在集射極電流一定的情況下，uGE越高，uCE就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于提高開關(guān)效率。但是，uGE并非越高越好，一般不允許超過20V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常取15V為宜。

　?、勰芟騃GBT提供適當?shù)姆聪驏艠O電壓。IGBT柵射極施加的反向偏壓有利于其快速關(guān)斷，但-uGE反向偏壓受IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制，過大的反向電壓會造成IGBT柵射極的反向擊穿，所以-UGE應(yīng)取合適的值，一般為-2V～-15V。

　　④有足夠的輸入輸出電隔離能力。由于IGBT多用于高電壓場合，而控制電路并不與高壓電路有直接耦合，所以驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上有嚴格的隔離。但是，這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動信號的正常傳輸。

　?、菥哂袞艠O電壓限幅能力，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極限電壓一般為-20～+20V，超出此范圍就可能破破環(huán)柵極。

　?、捱x擇合適RG，IGBT驅(qū)動電路中的RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗，RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導(dǎo)通或損環(huán)。RG的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關(guān)，一般在幾歐一幾十歐。

　?、逫GBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能的簡單、實用，最好具有對驅(qū)動IGBT的完整保護能力及很強的抗干擾性能，而且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。

　　⑧由于柵極信號的高頻變化，造成同一個系統(tǒng)多個IGBT的柵極驅(qū)動電路相互干擾。為防止干擾的出現(xiàn)，引線應(yīng)采用絞線或同軸電纜屏蔽線，同時柵極驅(qū)動電路中IGBT模塊柵射的引線也應(yīng)盡可能的短。

　　2 實用型IGBT驅(qū)動電路

　　針對IGBT驅(qū)動電路的上述要求，在工程實踐中提煉出一種簡單實用的分立式IGBT驅(qū)動電路，其電路簡圖如圖1所示，在電路簡圖中：Q1，Q3為NPN型三極管，Q2，Q4為PNP型三極管，D1～D4為保護二極管，二路PWM控制信號A，B為高電平或低電平，即A為高電平，B為低電平時，Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，此時，Q1、Q4和T1原邊繞組就形成通路，脈沖電壓加在T1的原邊，與原邊同相位的次邊得到開通驅(qū)動信號，與原邊相反的次邊得到關(guān)斷驅(qū)動信號。這些部分的作用是將A、B信號推挽放大，并通過隔離變壓器T1將驅(qū)動信號發(fā)生電路與高壓電路隔離。

　　當開通驅(qū)動信號加在CD端時，在脈沖的上升沿，電容C1相當短路，通過門極電阻R1和加速電容C1向IGBT柵極提供較大電流，降低驅(qū)動脈沖的上升時間，最終IGBT因uGE上升至15V而導(dǎo)通。同時因為NPN三極管Q5的門極通過R2接至低電平，因此處于截止狀態(tài)，對IGBT的導(dǎo)通沒有影響;在脈沖平頂期，此時，IGBT的輸入電容Cies已經(jīng)滿電，此時IGBT的G-E極之間相當于斷開，變壓器次邊VCD保持高電平。當脈沖下降沿到來時，IGBT的輸入電容在這段時間要反向放電，若放電速度太快，會引起極大的關(guān)斷尖峰，造成IGBT的損壞;若放電速度太慢又會造成IGBT關(guān)斷時間過長，形成較大的拖尾電流，造成關(guān)斷損耗增加，降低效率。因此應(yīng)該適當控制IGBT輸入電容的放電速度。在圖1的實用型驅(qū)動電路中，可以通過改變Q5的限流電阻R2和加速電容C1的值來實現(xiàn)Cies適當放電：當C1較大，R2較小時，一方面電容C1中儲存的電量較大，另一方面，三極管Q5基極電流大使得發(fā)射極電流大，因此Cies的放電速度較大;當C1較小，R2較大時，Cies放電速度減小。又因為C1往往大于Cie-s，因此在輸入電容Cies放電結(jié)束后，即IGBT關(guān)斷后，C1上可能還殘存少量電量，若沒有適當?shù)姆烹娀芈?，這個電容經(jīng)過幾個脈沖周期后充滿電荷，而失去加速作用，所以要求C1在每個周期上升沿到來時，電容上無存儲電荷，因此在IGBT的G-E端并聯(lián)電阻R3，給電容C1提供放電回路。D5為15V穩(wěn)壓管，防止驅(qū)動信號失控而造成的IGBT損壞。

　　3 仿真結(jié)果及分析