1、文章編號10042924X (2000 0120076203IGBT 柵極驅動技術探討王世杰(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 吉林長春130021摘要:絕緣柵雙極二級管(IGBT 作為一種可控開關, 獲得了廣泛應用。IGBT 的柵極驅動技術是其應用的一個重要方面。在本文中著重討論了IGBT 柵極驅動及保護的基本問題, 并介紹了幾個新的應用實例。關鍵詞:絕緣柵雙極二級管; 柵極; 驅動; 保護中圖分類號:TN 313. 6文獻標識碼:A1引言由于功率容量增加, 控制方法簡化及成本下降等原因, 功率半導體器件正獲得更廣泛的應用。目前應用的功率半導體器件, 根據其控制方式分為三種:1 二極

2、管, 由功率電路控制其通斷。2 晶閘管, 用控制信號使其導通, 但必須使用功率電路使其關斷。3 可控開關, 由控制信號使其通斷。可控開關類包括:雙結晶體管(BJT , 金屬氧化物半導體場效應管(M O SFET , 門可關斷晶閘管(GTO , 絕緣柵雙極二級管(IGB T , M O S 控制晶閘管(M CT , 近年來主要發展的功率半導體器件是這類器件。IGB T 集M O SFET 和BJT 的優點于一身, 即具有輸入阻抗高, 速度快, 熱穩定性好和驅動電路簡單的特點, 又具有通態電壓低, 耐壓高和承受電流大等優點, 因而IGB T 在電機驅動, 功率變換電路等方面獲得了廣泛應用。2IGB

3、 T 柵極控制技術2. 1柵極電壓的選擇柵極電壓的選擇要考慮柵極電壓的最大極限與集電極電流的使用范圍, 還要考慮柵極電路與器件參數的分散性. 電壓選為15V 10%較佳。IGB T 柵極要加負電壓, 可增加柵極抗干擾能力,避免IGB T 誤動作。對于小容量變換器中的IGB T 可不加負偏壓也能正常工作, 中等容量可加反偏壓5-6V , 對于大容量要加到15V 。2. 2幾種典型IGBT 柵極驅動方式1 變壓器驅動法此種方式優點是有利于驅動信號的隔離與驅動功率的傳輸, 但限制了使用頻率, 不利于PWM 信號傳輸。2 直接驅動法這種方式適用于小容量的不加保護的IGB T 應用場合。可用T TL 加

4、晶體管直接驅動IGB T , 它要求晶體管有較大的增益和較寬的頻帶。也可采用C M O S 、線性運算放大器加射極跟隨器直接驅動IGB T 。現有M I C 4451等驅動器可直接用來驅動IGB T 。3 光耦隔離驅動此種方式采用光耦傳輸驅動信號并進行放大, 對通斷時間寬度無限制, 工作速度可足夠高, 是目前廣泛應用的一種方式。但它對光耦的要求較高, 要求光耦速度快(傳輸延遲時間為S 級 , 絕緣耐壓高于電源電壓, 共模抑制比大。應用光耦隔離驅動方式有如下三種方式:1 光耦直接驅動IGB T , 無故障檢測及保護。2 光耦加帶保護的專用電路來驅動IGB T 。3 光隔離、保護及驅動等均封裝在同

5、一模塊內, 并且可采用正負偏壓, 十分便于使用。2. 3IGBT 的保護IGB T 的保護有過流、柵極過壓欠壓保護及過熱保護等。收稿日期:1999-09-10; 修稿日期:1999-10-11第8卷第1期光學精密工程Vol . 8, No . 12000年2月O PT I CS AND PR EC IS I ON EN G I N EER I N GFeb. , 20001 負載短路保護負載短路保護是橋接逆變器中的重要保護項目。最簡單且常用的保護方法是檢測IGB T 的非飽和狀態, 它能快速檢測出短路時過電流的電平, 利用斷開柵極信號的方法來實現短路保護。另外比較常用的過流檢測方法是用霍爾元件

6、或CT 測出發射極電流, 將反饋信號送控制器。2 欠壓保護 IGB T 柵極需15V 才能達到額定的C -E 結導通壓降, 如果柵極電壓低于13V , 在大電流時, 導通壓降將急劇上升。當柵極電壓低于10V , IGB T 將工作于線性區并且很快過熱。所以要有低柵壓保護電路, 在柵極電壓低于11V 時斷開柵極信號。3 過熱保護可通過計算IGB T 的熱力學模型, 來確定散熱器的溫度。采用熱敏電阻或溫度開關測定散熱器溫度并反饋信號給控制器來控制IGB T 柵極信號。3IGB T 驅動電路的實現3. 1無保護光耦直接驅動圖1所示為無過流保護的光耦合器直接驅動IGB T 電路。HCPL -3120為

7、可輸出2A 的IGB T 柵極驅動光耦(與其相同封裝的3150輸出能力為0. 5A 。 F ig . 1Gate driver w ithou t p ro tecti onHCPL 23120由磷砷化鎵光耦合器和功率輸出電路組成。這個光耦合器非常適合于應用于電機控制逆變器的IGB T 和M O SFET 驅動。其輸出電路的寬限工作電壓范圍, 使其易于提供門控器件所需的驅動電壓。HCPL 23120適合于額定容量為1200V 100A 的IGB T 。對于更高容量的IGB T , 可用HCPL 23120驅動分立器件功率級, 由其驅動IGB T 柵極。HCPL -3120的主要特征:2. 0A

8、 最小峰值輸出電流。最小共模抑制15kV S (在V C M =1500V 時 。最大低電平電壓0. 5V , 不需柵極負壓。最大供電電流Icc =5mA 。寬工作電壓范圍, 15-30V 。最大開關速度:500nS 。3. 2光耦加專用驅動電路光耦加帶保護的專用電路驅動IGB T 見圖2。F ig . 2Gate driver w ith p ro tecti onHCPL 22601為具有高共模抑制的高速光耦,其輸入與T TL 兼容。M C 33153是專門設計用作IGB T 柵極驅動的電路, 同時它也非常適于驅動M O SFET 和雙極晶體管。其內部設有保護電路, 包括:非飽和、過流、欠

9、壓保護。M C 33153有故障輸出信號(端7 , 可直接與光耦合器相接。準確全部地輸出所有的故障信號, 對系統的安全運行非常重要。前面已述及, IGB T 需要柵極欠壓保護。M C 33153內設柵極欠壓保護電路, 從12V 開始啟動工作。欠壓保護電路有1V 左右的滯后, 在電壓低于11V 后將關閉輸出。最好的非飽和檢測辦法是用一高壓鉗位二極管和一比較器。M C 33153內部有一非飽和比較器, 它可檢測集電極電壓并在器件非飽和時產生指示輸出。D 1是外部高壓鉗位二極管。當IGB T 是導通且飽和時, D 1將非飽和檢測端(端8 拉低。當IGB T 脫離飽和區或關斷時, 該電流源將拉高端8,

10、 并觸發內部比較器。當柵極輸入為高時, 集電極電壓大于最大允許集電極飽和電壓時, 表示故障存在, 非飽和比較器輸出與柵極輸入信號相“與”后反饋給短路和過流鎖存器, 過流鎖存器將由于故障的存在而在本周期剩余時間內斷開IGB T 柵極信號。3. 3集成模塊驅動目前較普遍應用的是EXB 系列。圖3中給出的是EXB 840。該模塊將光耦合器、過流保護和輸出功率級集成一體。它能驅動75A , 1200V 的IGB T 。工作電源可用直流20V , 內部用穩壓管產生25V 電壓, 為外用提供負偏壓。EXB 840可工作于40千赫以下的開關頻率。 F ig . 3Gate driver in one mod

11、u le4結束語在討論了IGB T 柵極驅動技術的基礎上, 提出了幾種帶光隔離驅動IGB T 的實用電路。由于變壓器驅動及直接驅動方式應用不多且較簡單, 故未多作介紹。對于光隔離驅動方式, 介紹了三種經實際應用而又較為典型的電路。IGB T 的驅動電路很多, 難以全部敘述, 而且隨著技術進步, 還在不斷推陳出新。愿此文能起到拋磚引玉作用, 給相關科技工作者帶來幫助。參考文獻:1N ED M OHAN , UND ELAND TOR E M , ROBB I N S W I LL I AM P . POW ER EL ECTRON I CS M . N ew Yo rk :John W iley

12、 &Son s , Inc , 1995.2張占松, 蔡宣三. 開關電源的原理與設計M . 北京:電子工業出版社, 1999.3E rick son Robert W . Fundam en tal of pow er electron ics M . N ew Yo rk :In ternati onal T hom son Pub lish ing , 1997.Techn ique of IGBT ga te dr iv i ngW AN G Sh i 2jie(Chang chun Institu te of Op tics , F ine M echan ics and P hy s

13、ics ,Ch inese A cad e m y of S ciences , Chang chun 130021, Ch ina Abstract :In su lated Gate B i po lar T ran sisto r (IGB T as con tro llab le s w itch , has been app lied w idely . T echn ique of gate driving is an i m po rtan t asp ect in IGB T u sage . In th is p ap er , techn ique of gatedriving and p ro tecti on of IGB T are described . T h ree