基于M57962L的一種IGBT驅動電路設計方案IGBT的概念是20世紀80年代初期提出的。IGBT具有復雜的集成結構，它的工作頻率可以遠高于雙極晶體管。IGBT已經成為功率半導體器件的主流。在10100 kHz的中高壓大電流的范圍內得到廣泛應用。IGBT進一步簡化了功率器件的驅動電路和減小驅動功率。 IGBT的開通和關斷是由柵極電壓來控制的。當柵極施以正電壓時，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時從N+區注入到N-區的空穴(少子)對N-區進行電導調制，減小區的電阻Rdr ，使阻斷電壓高的IGBT也具有低的通態壓降。當柵極上施以負電壓時。MOSFET內的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關斷。在IGBT導通之后。若將柵極電壓突然降至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使集電極電流有所下降，但由于N-區中注入了大量的電子和空穴對，因而集電極電流不會馬上為零，而出現一個拖尾時間。2 驅動電路的設計2.1 IGBT器件型號選擇1)IGBT承受的正反向峰值電壓考慮到2-2.5倍的安全系數，可選IGBT的電壓為1 200 V。2)IGBT導通時承受的峰值電流。額定電流按380 V供電電壓、額定功率30 kVA容量算。選用的IGBT型號為SEMIKRON公司的SKM400GA128D。2.2 IGBT驅動電路的設計要求對于大功率IGBT，選擇驅動電路基于以下的參數要求：器件關斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關系見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門極負偏壓則對關斷特性的影響比較大。在門極電路的設計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發等問題(見表1)。表1 IGBT門極驅動條件與器件特性的關系由于IGBT的開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路的變化而變化，因而驅動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT對其驅動電路提出了以下要1)向IGBT提供適當的正向柵壓。并且在IGBT導通后。柵極驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態。瞬時過載時，柵極驅動電路提供的驅動功率要足以保證IGBT不退出飽和區。IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓有關，在漏源電流一定的情況下，VGE越高，VDS儺就越低，器件的導通損耗就越小，這有利于充分發揮管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允許超過20 V，原因是一旦發生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。2)能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態，增加管子的功耗。重則將使調壓電路處于短路直通狀態。因此，最好給處于截止狀態的IGBT加一反向柵壓f幅值一般為515 V)，使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。3)具有柵極電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅動信號超出此范圍就可能破壞柵極。4)由于IGBT多用于高壓場合。要求有足夠的輸人、輸出電隔離能力。所以驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。5)IGBT的柵極驅動電路應盡可能的簡單、實用。應具有IGBT的完整保護功能，很強的抗干擾能力，且輸出阻抗應盡可能的低。2.3 驅動電路的設計隔離驅動產品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產品主要用于IGBT的驅動，因IGBT具有電流拖尾效應，所以光耦驅動器無一例外都是負壓關斷。M57962L是日本三菱電氣公司為驅動IGBT設計的厚膜集成電路，實質是隔離型放大器，采用光電耦合方法實現輸入與輸出的電氣隔離，隔離電壓高達2 500 V，并配置了短路/過載保護電路。M57962L可分別驅動600 V/200 A和600 V/400 A級IGBT模塊，具有很高的性價比。本次課題設計中選用的IGBT最大電流400 A考慮其他隔離要求及保護措施，選用了M57962L設計了一種IGBT驅動電路。圖1為M57962L內部結構框圖，采用光耦實現電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開關運行，光耦的原邊已串聯限流電阻(約185 )，可將5 V的電壓直接加到輸入側。它采用雙電源驅動結構，內部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路、過電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，驅動電信號延遲最大為1.5us。圖1 M57962L的結構框圖當單獨用M57962L來驅動IGBT時。有三點是應該考慮的。首先。驅動器的最大電流變化率應設置在最小的RG電阻的限制范圍內，因為對許多IGBT來講，使用的RG偏大時，會增大td(on )(導通延遲時間)，td(off)(截止延遲時間)，tr(上升時間)和開關損耗，在高頻應用(超過5 kHz)時，這種損耗應盡量避免。另外。驅動器本身的損耗也必須考慮。如果驅動器本身損耗過大，會引起驅動器過熱，致使其損壞。最后，當M57962L被用在驅動大容量的IGBT時，它的慢關斷將會增大損耗。引起這種現象的原因是通過IGBT的Gres(反向傳輸電容)流到M57962L柵極的電流不能被驅動器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關斷時間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應用M57962L設計的驅動電路見圖2。圖2 IGBT驅動電路電源去耦電容C2 C7采用鋁電解電容器，容量為100 uF/50 V，R1阻值取1 k，R2阻值取1.5k，R3取5.1 k，電源采用正負l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號IN經l3腳輸入驅動器M57962L。雙向穩壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V，Z3為30 V，防止IGBT的柵極、發射極擊穿而損壞驅動電路，二極管采用快恢復的FR107管。2.4 柵極驅動電阻的選擇使用M57962L，必須選擇合適的驅動電阻。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流的上升率(di/dt)，需要在柵極回路中串聯電阻RG，若柵極電阻過大，則IGBT的開通與關斷能耗均增加;若柵極電阻過小則使dic/dt 過大可能引發IGBT的誤導通，同時R。上的能耗也有所增加。所以選擇驅動電阻阻值時，要綜合考慮這兩方面的因素，并防止輸出電流，IOP超過極限值5 A.RG 的選取可以依據公式：對大功率的IGBT模塊來說，RGMIN數值一般按下式計算：這是因為對于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內部柵極驅動和防止內部的振蕩，模塊內部的各個開關器件都會包含有柵極電阻器R G(INT) ，R G(INT) 數值視模塊種類不同而不同，一般在0.753 之間，而f的數值則依靠柵極驅動電路的寄生電感和驅動器的開關速度來決定，所以獲得 R GMIN 的最佳辦法就是在改變RG時監測IOP，當IOP達到最大值時，RG達到極限值R GMIN 。但在使用中應注意，RG不能按前