摘要：文中對大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)的開關特性、驅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驅動電路，并通過理論分析和仿真波形說明了該驅動電路的有效性和適用性。
關鍵字：高頻；絕緣門極雙極型晶體管；驅動電路；IGBT
0 引言
絕緣門極雙極型晶體管是復合了功率場效應管和電力晶體管的優(yōu)點而產生的一種新型復合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好、驅動電路簡單、飽和壓降低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應用相當廣泛。但是IGBT良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅動電路設計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應用。本文分析了IGBT對其柵極驅動電路的要求，設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驅動電路。
1 IGBT驅動電路的基本要求
IGBT的驅動電路是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、開關損耗、承受短路能力參數(shù)有不同的程度的影響，因此驅動電路設計對IGBT的動態(tài)和靜態(tài)性能都有重要影響，對驅動電路提出以下要求：
①動態(tài)驅動能力強，能為柵極驅動電壓脈沖提供充分大上升率和下降率，以減小開通和關斷損耗。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的高速開通與關斷將在電路中產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開關時間也不能過短，其值應根據(jù)所有元件及IGBT自身的承受du／dt的能力綜合考慮。
②能向IGBT提供適當?shù)恼驏艠O電壓，IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓有關，在集射極電流一定的情況下，uGE越高，uCE就越低，器件的導通損耗就越小，這有利于提高開關效率。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。
③能向IGBT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，所以驅動電路應與整個控制電路在電位上有嚴格的隔離。但是，這種電隔離不應影響驅動信號的正常傳輸。
⑤具有柵極電壓限幅能力，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。
⑥選擇合適RG，IGBT驅動電路中的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的開關時間和開關損耗，RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損環(huán)。RG的具體數(shù)據(jù)與驅動電路的結構及IGBT的容量有關，一般在幾歐一幾十歐。
⑦IGBT的柵極驅動電路應盡可能的簡單、實用，最好具有對驅動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的柵極驅動電路相互干擾。為防止干擾的出現(xiàn)，引線應采用絞線或同軸電纜屏蔽線，同時柵極驅動電路中IGBT模塊柵射的引線也應盡可能的短。
2 實用型IGBT驅動電路
針對IGBT驅動電路的上述要求，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導通，Q2、Q3關斷，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動信號，與原邊相反的次邊得到關斷驅動信號。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將驅動信號發(fā)生電路與高壓電路隔離。
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當開通驅動信號加在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，降低驅動脈沖的上升時間，最終IGBT因uGE上升至15V而導通。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的導通沒有影響；在脈沖平頂期，此時，IGBT的輸入電容Cies已經滿電，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，會引起極大的關斷尖峰，造成IGBT的損壞；若放電速度太慢又會造成IGBT關斷時間過長，形成較大的拖尾電流，造成關斷損耗增加，降低效率。因此應該適當控制IGBT輸入電容的放電速度。在圖1的實用型驅動電路中，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放電結束后，即IGBT關斷后，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，防止驅動信號失控而造成的IGBT損壞。
3 仿真結果及分析
運用PSpice軟件在脈沖頻率50kHz，占空比為50％，輸入電壓600伏，負載600歐的條件下來對比該實用型驅動電路與普通驅動電路的驅動效果。圖2為仿真波形圖，從波形圖可以看出，在脈沖信號(V(V1))的上升沿普通的驅動信號也快速上升，使得流經IGBT集射極電流(圖中間的I(R1))急劇上升，而實用驅動信號有一個可適宜的的斜率，防止因du／dt過大而造成的對IGBT的損害，并能可以通過調節(jié)R1的值來以使集射極電流以一個適宜的斜率上升。在脈沖信號的下降沿，普通驅動的集射極電流拖尾時間長為2．7μs，而采用實用型驅動電路的CE端電流拖尾時間只有1．3，下降時間的減少，有利于減少IGBT集射極二端電流與電壓共同作用時而產生的功耗，能夠較好減少關斷損耗，提高效率。
4 結束語
通過以上分析可知，IGBT的門極驅動條件密切地關系到IGBT的靜態(tài)和動態(tài)性能。門極電路的開通電壓，關斷電壓，開通電壓上升率，關斷電壓下降率對IGBT的通態(tài)電壓、開關速率、開關損耗、承受di／dt電壓等參數(shù)有不同程序的影響。調節(jié)R1可獲得適宜的脈沖前沿上升率，即保證IGBT能在盡量短的時間內導通，又保證不會因為du／dt過大而產生尖峰或對IGBT造成損壞；取適宜C1值，使電容C1即能引收因高頻開關造成的尖峰。又能與R2配合，加快IGBT的關斷，減小平均拖尾電流的大小和拖尾電流存在的時間，上述參數(shù)的大小一般要通過多次試驗來確定，以達到最佳驅動將是。
此驅動電路已經在2000W高頻移相軟開關直流電源中得到應用。由于其只采用簡單的分立式元件，不需要專業(yè)芯片，結構簡單，成本低廉。而且可靠性高，因此非常適合小功率的IGBT開關電路，具有很大的應用前景。
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