高頻條件下IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計與仿真

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(jìn)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(dāng)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(hù)，驅(qū)動電路對IGBT的正常工作及其保護(hù)起著非常重要的作用，門極電路的正偏壓uGS，負(fù)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：
    ①動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)，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。
    ②能向IGBT提供適當(dāng)?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。
    ③能向IGBT提供適當(dāng)?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(yán)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。
    ⑤具有柵極電壓限幅能力，保護(hù)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(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。
    ⑦IGBT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(hù)能力及很強(qiáng)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(hù)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。

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    當(dāng)開通驅(qū)動信號加在CD端時，在脈沖的上升沿，電容C1相當(dāng)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?fàn)顟B(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(dāng)于斷開，變壓器次邊VCD保持高電平。當(dāng)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(dāng)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(dāng)放電：當(dāng)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(dāng)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(dāng)?shù)姆烹娀芈罚@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
    運用PSpice軟件在脈沖頻率50kHz，占空比為50％，輸入電壓600伏，負(fù)載600歐的條件下來對比該實用型驅(qū)動電路與普通驅(qū)動電路的驅(qū)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(qū)動信號也快速上升，使得流經(jīng)IGBT集射極電流(圖中間的I(R1))急劇上升，而實用驅(qū)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(diào)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(qū)動的集射極電流拖尾時間長為2．7μs，而采用實用型驅(qū)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(chǎn)生的功耗，能夠較好減少關(guān)斷損耗，提高效率。

4 結(jié)束語
    通過以上分析可知，IGBT的門極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到IGBT的靜態(tài)和動態(tài)性能。門極電路的開通電壓，關(guān)斷電壓，開通電壓上升率，關(guān)斷電壓下降率對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)速率、開關(guān)損耗、承受di／dt電壓等參數(shù)有不同程序的影響。調(diào)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(nèi)導(dǎo)通，又保證不會因為du／dt過大而產(chǎn)生尖峰或?qū)GBT造成損壞；取適宜C1值，使電容C1即能引收因高頻開關(guān)造成的尖峰。又能與R2配合，加快IGBT的關(guān)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(dá)到最佳驅(qū)動將是。
    此驅(qū)動電路已經(jīng)在2000W高頻移相軟開關(guān)直流電源中得到應(yīng)用。由于其只采用簡單的分立式元件，不需要專業(yè)芯片，結(jié)構(gòu)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(guān)電路，具有很大的應(yīng)用前景。