6 8 电力电子技术1998 年第 3 期 1998. 8 IGBTIGBT 驱动电路性能分析 Analysis on the Performance of IGB T Driving Circuit 山东工业大学 尹 海 李思海 张光东 (济南 250061) 摘要:阐述了对 IGB T 驱动器的基本要求,介绍了 IGB T 驱动器的各种电路形式及特点,指出了 使用时应注意的问题。 AbstractAbstract : :The paper describes the basic requirements for IGB T driving circuit and its various circuit forms and characteristics. The problems which should be noticed in application are pointed out. 叙词:绝缘栅双极晶体管 驱动电路 KeywordsKeywords :IGBT;:IGBT; drivingdriving circuitcircuit 1 1 引 言 近年来,新型功率开关器件 IGB T 已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比,IGB T 目前在综合性能方面占有明显的优势,并正越来越多地应用到工作频率为几十千赫、输出功 率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置中。 然而,在 IGB T 的使用过程中,发现了不少影响 IGB T 推广使用的问题, 其中之一就是 IGB T 驱动电路的合理选择和正确设计问题。2 2 IGBTIGBT 驱动器的基本要求 一个理想的 IGB T 驱动器应具有以下基本性能: (1) 动态驱动能力强,能为 IGB T 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当 IGB T 在硬开关方 式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长,开关损耗越大。器件 工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过 IGB T 通态损耗, 造成管芯温升较高。这种情况会 大大限制 IGB T 的开关频率和输出能力,同时对 IGB T 的安全工作构成很大威胁。 IGB T 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGB T 的栅源特性呈非线性电容性 质,因此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使 IGB T 栅源电压建立或消失得足够快,从 而使开关损耗降至较低的水平。 另一方面,驱动器内阻也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时,过 短的开关时间也会造成主回路过 高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。 (2) 能向 IGB T 提供适当的正向栅压。IGB T 导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电 流一定的情况下, u GS 越高, uDS 就越低, 器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的 工作能力。但是, u GS 并非越高越好,一般不允许超过 20V , 原因是一旦发生过流或短路, 栅压越高,则电流幅值越高, IGB T 损坏的可能性就越大。通常,综合考虑取+ 15V 为宜。 (3) 能向 IGB T 提供足够的反向栅压。在 IGB T 关断期间,由于电路中其它部分的工作, 会在 栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的 IGB T 处于微通状态,增加 管子的功耗,重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此,最好给应处于截止状态的 IGB T 加 一反向栅压(幅值一般为 515V) ,使 IGB T 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。 (4) 有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中, IGB T 与工频电网有直接电联系,而控制 电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器) 中的 IGB T 的工作电位差别很大, 也不 允许控制电路与其直接耦合。因此,驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作, 同时有 利于维修调试人员的人身安全。但是, 这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。 (5) 具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。IGB T 栅极极限电压一般为20V , 驱动信号超 出此范围就可能破坏栅极。 (6) 输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后,另一方面能提高保护的快速 性。 (7) 电路简单,成本低。(8) IGB T 损坏时,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。IGB T 烧毁时,集电极上的高电压往 往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路, 从而破坏其中的某些元件。 由于 IGB T 承受过流或短路的能力有限, 故 IGB T 驱动器还应具有如下功能: (9) 当 IGB T 处于负载短路或过流状态时, 能在 IGB T 允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑 制故障电流,实现 IGB T 的软关断。其目的是避免快速关断故障电流造成过高的 d i/d t 。在 杂散电感的作用下,过高的 d i/d t 会产生过高的电压尖峰,使 IGB T 承受不住而损坏。同理, 驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响,即应具有定时逻辑栅压控制的功能。 当出现过流时,无论此时有无输入信号,都应无条件地实现软关断。在各种设备中,二极管的反向恢复、电磁性负载的分布电容及关断吸收电路等都会在 IGB T 开通时造成尖峰电流。驱动器应具备抑制这一瞬时过流的能力,在尖峰电流过后,应能恢 复正常栅压,保证电路的正常工作。 (10) 在出现短路、过流的情况下,能迅速发出过流保护信号,供控制电路进行处理。3 3 IGBTIGBT 驱动器的电路形式及特点 目前,供 IGB T 使用的驱动电路形式多种多样,各自的功能也不尽相同。从综合的观点看,还没 有一种十全十美的电路。 从电路隔离方式看, IGBT 驱动器可分成两大类,一类采用光电耦合器,另一类采用脉冲变压器, 两者均可实现信号的传输及电路的隔离。 下面以日本富士公司的 EXB841 驱动器为例,简单说明光电耦合驱动器的工作原理(见图 1) 。 图中+ 2 0 V 驱动电源通过 R1 和 V5 分为 + 15V 及+ 5V 两部分。当来自控制电路的控制脉冲进入光电耦合器 V1 后,放大器使 V3 导通, IGB T 栅极即得到一个+ 15V 驱动信号并导通。 当控制信号消失后,V4 导通,此时 IGB T 即得到一个-5V 的栅源电压并截止。IGB T 在导通期 间过流时,会脱离饱和状态,此时, uDS 升高。驱动器内的保护电路通过 V6 检测到这一状态后,一 方面在 10s 内逐步降低栅压,使 IGB T 进入软关断状态,另一方面通过光耦 V2 向控制电路 发出过流信号。图 1 采用 EXB841 的 IGB T 驱动器 光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的,由它 提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制,而且可以较容易地通过检测 IGB T 通态 集电极电压实现各种情况下的过流及短路保护,并对外送出过流信号。目前国内外都趋向于把 这种驱动器做成厚膜电路的形式,因此具有使用较方便,一致性及稳定性较好的优点。其不足之 处是需要较多的工作电源。例如,全桥式开关电源一般需要四个工作电源, 从而增加了电路的 复杂性。驱动器中的光电耦合器尽管速度较高,但对脉冲信号仍会有 1s 左右的滞后时间,不 适应某些要求较高的场合。光电耦合器的输入输出间耐压一般为交流 2500V , 这对某些场合 是不够的。例如,许多逆变焊机的输出直接反馈到控制电路,而国家的有关标准却规定焊机输入 输出之间应能承受交流 4000V 电压,从而给电路的设计增加了困难。另外,一旦 IGB T 烧坏,驱 动器通常也随之烧毁,从而增加了维修的复杂性及费用。 与之相反,变压器耦合驱动器的特点是不必专设工作电源且速度高,输入输出间耐压可做得较高,成 本较低。图 2 示出两种变压器驱动器的电路,显然电路结构比较简单。其中图 2b 电路适用于 半桥式或全桥式逆变器,其电路结构决定了同一桥臂的两只 IGB T 不会同时得到正向栅压,从 而保证了逆变器不会发生直通现象。变压器耦合驱动器信号延迟很小,从实验结果来看,只有几 个纳秒,响应速度很快。图 2 两种变压器驱动器电路 图 2 电路的缺点是 IGB T 关断期间不能得到持续的反向栅 压,故抗干扰能力较差。图 3 所示的驱动电路较好地解决了这个问题。图中 V1 及 C1 为 IGB T 提供反向栅压,其数值由 V1 稳压值而定。变压器耦合驱动器的缺点是不能自动实现过流保护,不能实现任意脉宽输出。这种驱动器对变 压器的绕制要求严格,必须尽可能改善初、次级的耦合,否则效果不好。图 3 变压器耦合驱动器 为了进一步完善变压器耦合驱动器的功能,以适应更多的应用对 象,可利用信号调制解调原理,脉冲变压器工作在高频状态(几百千赫),变压器初级的脉冲幅度 随控制信号的有无而变化,而变压器次级则有整流器和鉴幅器。这样,次级电路可以根据高频脉 冲的幅值对控制信号进行复原。变压器除实现了信号传输外,还实现了驱动电源的输送,从而为 实现各种保护功能提供了基础。美国 Unitrode 公司推出的 UC3724/ 3725 即是一种典型的电 路。表 1 列举了目前市场上可见的若干种驱动器, 其功能大致相同, 但也有许多不同之处 14 。另外,目前市场上还有一种专用驱动器,可驱动一个桥臂上两只 IGB T , 如美国 IR 公司的 IR2110 及德国西门康公司的 SKHI21 。 表 1 现有市售驱动器 项 目 驱动器日本富士 EXB841日本英达 HR065日本三菱 M57959L57962 L美国 Unitrode UC37243725 隔离方式光耦光耦光耦变压器 附加电源(V)+ 20+ 25+ 18 , -10- 输出高电平(V)+ 14. 5+ 16+ 18+ 915 输出低电平(V)-4. 5-8-100 最高工作频率(kHz)402040- 隔离电压(V AC)250025002500- 最大输出电流(A)42. 52/ 5- 最大吸收电流(A)42. 52/ 5- 开通延迟时间(s) 1. 50. 40. 810. 5 开通上升时间(s)0. 060. 60. 25 关断延迟时间(s) 1. 50. 070. 410. 25 关断下降时间(s)0. 10. 40. 1 软关断时间(s)104512ms- 报警延迟(s)11. 4- 定时逻辑栅压控制无有有无 4 4 用 IGBTIGBT 驱动器需注意的问题 除上述问题之外,在使用 IGB T 驱动器时, 还要注意其它一些问题,即如何妥善处理过流保护 问题。 在图 1 所示电路中,二极管 V6 的选取是很重要的。它必须是快速二极管,其反向耐压至少应与 IGB T 相同, 而且其正向压降对 IGB T 保护点的设定关系甚大。例如,富士 EXB 系列驱动器要 求 V6 的正向压降为 3V , 如果我们选用了其它压降低的二极管,则 IGB T 就不能得到有效的 保护。相反,如果我们想降低 IGB T 的保护点,则可以采用多只串联的办法, 增加 V6 的正向压 降。另外,各厂家生产的 IGB T 的传输比各不相同,因此,用一个厂家生产的驱动器去驱动另一 个厂家的 IGB T , 应考虑对二极管 V6 的正向压降作相应调整。有些厂家生产的驱动器( EXB 系列) 不具备定时逻辑栅压控制的功能。在过流状态下, 若驱动器的入口信号消失,则其出口信号也随之消失。这样,过流状态下的 IGB T 易被损坏。因此,需要在外部电路中采取措施,以 保证过流时驱动器的入口驱动脉冲有足够的宽度, 使 IGB T 在驱动器的软关断作用下可靠完 成关断过程。另一方面,对于具有逻辑栅压控制的驱动器(如 HR065) 而言,在某些情况下也有 人为造成桥臂直通的危险。IGB T 开通时往往会流过一些正常的尖峰电流,因此,驱动器