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近年來 , 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 以其優越的性能 , 在變流器中取代了其他大功率開關器件,正確使用 IGBT 的關鍵問題是要有比較好的驅動電路 , 在驅動波形 , 正、反偏 , 保護等方面驅動電路都要滿足 IGBT 的驅動要求.因此 , 分析與設計良好的驅動電路是應用好 IGBT 的前提 [1] .盡管這方面的研究已經頗多 , 但多偏重于專用驅動模塊的討論.本文從經濟實用的角度出發 , 另辟途徑 , 用分立元件、 555 定時器、光耦合器等元件來研制 IGBT 的驅動電路.

1    IGBT 對門極驅動電路的要求
    IGBT 是由 MOSFET 和晶體管技術結合而成的復合型器件 , 其內部結構 :IGBT 相當于一個由 MOSFET 驅動的厚基區 PNP 型晶體管 , 簡化等效電路見圖 1[2] .

圖 1 IGBT 的簡化等效電路
    IGBT 屬于場控器件 , 在門極施以正電壓時 ,MOSFET 內形成溝道 , 并為 PNP 晶體管提供基極電流 , 從而使 IGBT 導通 ; 在門極上施以負電壓時 ,MOSFET 內的溝道消失 ,PNP 晶體管的基極電流被切斷 ,IGBT 即為關斷.由此可見 ,IGBT 的開通和關斷是由門極電壓來控制的 [1][3] .再結合 IGBT 的靜態和動態特性 ,IGBT 對門極驅動電路的要求為 [4]:(1)IGBT 與 MOSFET 都是電壓驅動 , 都具有一個 2.5V~5V 的閾值電壓 , 有一個容性輸入阻抗 , 因此 IGBT 對門極電荷集聚非常敏感 , 故驅動電路必須很可靠 , 要保證有一條低阻抗值的放電回路 , 即驅動電路與 IGBT 的連線要盡量短 ;(2) 用低內阻的驅動源對門極電容充放電 , 以保證門極控制電壓 Uge 有足夠陡峭的前后沿 , 使 IGBT 的開關損耗盡量小.另外 ,IGBT 開通后 , 門極驅動源應能提供足夠的功率 , 使 IGBT 不退出飽和而損壞 ;(3) 驅動電路中 ,IGBT 的門極正偏壓 (+Uge) 應為 +12V~+15V; 門極負偏壓 (+Uge) 應為 +2V~+10V;(4) 驅動電路要能傳遞幾十 kHz 的脈沖信號 ;(5) 在大電感負載下, IGBT 的開關時間不能太短 , 以限制 di/dt 所形成的尖峰電壓 , 確保 IGBT 的安全 ;(6) 由于 IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合 , 故驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離 ;(7) 驅動電路應盡可能簡單實用 , 最好自身帶有對 IGBT 的保護功能 , 有較強的抗干擾能力.
    根據驅動要求 , 可以得出驅動電路中 IGBT 門源電壓 Uge( 即驅動電壓 ) 的理想波形見圖 2 .

圖 2 驅動電壓 Uge 的理想波形


2 兩種方案

    根據驅動要求 ,IGBT 的驅動電路必須具備二個基本功能 : 一是提供合適的門極驅動脈沖 ; 二是實現控制電路與被驅動 IGBT 門極的電隔離 [5] .設計的思路是 :(1) 采用穩壓二極管實現 5V 的恒偏壓 , 再和 +20V 穩壓源共同作用實現 +15V/-5V 的驅動電壓 ;(2) 采用脈沖變壓器、微分變壓器或光耦合器來實現電隔離.筆者之所以選用 TLP 型普通光耦合器 , 原因有三 : 一是能夠實現控制脈沖與驅動電路的電隔離 ; 二是可在電路中作開關器件使用 , 以實現控制回路的閉合和關斷 ; 三是經濟實用 , 成本低廉.

2.1 由分立元件構成的 IGBT 驅動電路 :

    圖 3 為采用光耦合器等分立元件構成的 IG2BT 驅動電路.該電路的特點是采用晶體三極管組成互補推挽式電路 , 為電流提供正向和反向通路 , 以實現 IGBT 門極驅動電壓的正、反偏變換.
    當輸入控制脈沖信號為高電平時 , 光耦合器 U1(A4N25) 導通 , 晶體管 Q1 截止 ,Q2 導通 , 在穩壓二極管 D3(D1N750) 的共同作用下輸出 +15V 驅動電壓.當輸入控制脈沖信號為低電平時 , 光耦 U1(A4N25) 截止 , 晶體管 Q1 、 Q3 導通 ,Q2 截止 , 再結合 D3(D1N750) 的作用輸出 -5V 電壓.
    使用該電路時應注意 +20V 穩壓源需靠近驅動電路 , 驅動電路輸出端及電源地端至 IGBT 門極和發射極的引線應采用雙絞線 , 長度最好不超過 0.5m .

2.2 由 555 定時器構成的 IGBT 驅動電路 Gx+x4KYuF--未經許可,禁止轉載yG{wuwwz!

    圖 4 為由 555 定時器構成的 IGBT 驅動電路.該電路的特點是 :(1) 利用 555 定時器內部放電管 ( 引腳 ) 的導通、關斷來實現 +15V/-5V 的驅動電壓 ;(2)555 定時器引腳、接在一起 , 構成了雙穩態電路結構 ;(3) 電阻 R5 與穩壓管 D3(D1N750) 構成了對 IGBT 輸入端的負偏壓 , 以保證 IGBT 關斷的可靠性 [6] .
    在輸入控制脈沖信號為高電平時 , 光耦合器 U1(A4N25) 導通 ,555 定時器內部放電管導通 , 引腳接地 , 此時 IGBT 門極通過電阻 R6 放電 , 門極電壓迅速下降為零 , 在穩壓二極管 D3(D1N750) 的共同作用下輸出 -5V 驅動電壓.當輸入控制脈沖信號為低電平時 , 光耦 U1(A4N25) 截止 ,555 定時器內部放電管截止 , 引腳相當于懸空 , 此時 IGBT 門極直接由 +20V 電源供電 , 再結合 D3(D1N750) 的作用輸出 +15V 驅動電壓.
    由電路的工作原理可知 : 控制脈沖信號為高電平時 , 該電路輸出 -5V 驅動電壓 , 而當控制脈沖信號為低電平時 , 電路輸出 +15V 驅動電壓.為保證控制脈沖信號與驅動脈沖的同步 , 可在控制脈沖信號引入光耦合器之前 , 先經過一反相器反相.需要指出的一點是 ,555 定時器不能長時間承受 +20V 的電壓 , 因此由 555 定時器構成的 IGBT 驅動電路不適用于長時間不間斷工作的場合

3 PSPICE 仿真結果
    PSPICE 是計算機輔助分析和設計中的電子電路模擬軟件 , 主要用于所設計的電路硬件實現之前 , 先對電路進行模擬分析.為檢驗所設計的驅動電路的正確性 , 可先利用 PSPICE 軟件對其進行仿真分析.
    分別按照圖 3 、圖 4 在 PSPICE 平臺中連接好仿真電路 , 因驅動電壓 Uge 是驅動電路的重要性能指標 , 故仿真分析主要測試 Uge( 圖 3 、圖 4 中正 / 負兩探點間電位差 ) 的瞬態響應.仿真過程中 , 控制脈沖采用 10kHz; 占空比為 2/3 的方波信號 , 光耦合器選用 U1(A4N25), 穩壓二極管采用 D1N750( 額定值設為 5V), 分別選定適當的掃描步長和掃描時間 , 測試結果見圖 5 、圖 6 .
    從測試結果可知 : 兩電路的驅動電壓完全滿足 IGBT 的驅動要求 , 且上升沿和下降沿都比較陡直 , 說明正、反偏的時間很短 , 能夠保證 IGBT 可靠地工作.

4 實驗結果

    在計算機仿真的基礎之上 , 可通過實驗來進一步檢驗所設計的驅動電路的性能.
    實驗電路分別按照上面的仿真電路 ( 圖 3 、圖 4) 來搭建.實驗條件為 : 控制脈沖由 SG3524 芯片構成的 PWM 電路產生 ; 光耦采用 TLP630 型普通光耦合器 ;555 定時器選用普通的 NE555 集成塊 ; 晶體三極管采用 9013 型 (NPN) 和 9015 型 (PNP); 穩壓管選用額定電壓為 5V 的穩壓二極管 ; 直流穩壓電源一臺 ;IGBT 選用富士公司的 2MBI50P-140 型 (1400V,50A); 雙蹤數字存儲示波器一臺 ; 電阻 , 電容 , 電感 , 二極管 , 導線若干.
    通過數字存儲示波器測得兩種電路的驅動電壓 (Uge) 波形分別見圖 7 、圖 8 .

5 結論
    綜上所述 , 計算機 PSPICE 仿真結果與實驗結果基本一致.測試結果表明所研制的驅動電路完全符合 IGBT 的驅動要求 , 且結構簡單 , 成本低廉 , 性能穩定 , 能夠使 IGBT 可靠地工作 , 具有一定的實用價值.

IGBT驅動保護電路的改良設計
IGBT驅動電路性能分析
841的IGBT驅動電路設計及優化

集成化 IGBT 專用驅動器 EXB841
現在,大電流高電壓的 IGBT 已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已制造出集成化的  IGBT 專用驅動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小.

集成化驅動電路的構成及性能
下面以富士電機公司 EXB 系列驅動器為例加以介紹.  EXB850 ( 851 )為標準型(最大  10kHz 運行),其內部電路框圖如圖 2 - 65 .所示. EXB840 ( 841 )是高速型(最大  40kHz 運行),其內部電路框圖如圖  2 - 65b 所示.它為直插式結構,額定參數和運行條件可參考其使用手冊.
    EXB 系列驅動器的各引腳功能如下:
     腳 1 :連接用于反向偏置電源的濾波電容器;
     腳     2 :電源(    +   20V );
     腳 3 :驅動輸出;
     腳 4 :用于連接外部電容器,以防止過流保護電路誤動作(大多數場合不需要該電容器);
     腳 5 :過流保護輸出;
     腳 6 :集電極電壓監視;
     腳 7 、 8 :不接;
     腳 9 :電源;
     腳   10 、    11 :不接;
     腳   14 、    15 :驅動信號輸入(一,+);
     由于本系列驅動器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離,因此能用于交流   3 80V 的動力設備上.
    IGBT 通常只能承受 10us 的短路電流,所以必須有快速保護電路. EXB 系列驅動器內設有電流保護電路,根據驅動信號與集電極之間的關系檢測過電流,其檢測電路如圖 2 - 66 .所示.當集電極電壓
高時,雖然加入信號也認為存在過電流,但是如果發生過電流,驅動器的低速切斷電路就慢速關斷   IGBT ( < loUs 的過流不響應),從而保證 1GBT 不被損壞.如果以正常速度切斷過電流,集電極產生的電壓尖脈沖足以破壞    IGBT ,關斷時的集電極波形如圖     2 -  6 6b 所示．
    IGBT 在開關過程中需要一個十  15V 電壓以獲得低開啟電壓,還需要一個一 5V 關柵電壓以防止關斷時的誤動作.這兩種電壓    (+ 15V 和一 5V )均可由 20v 供電的驅動器內部電路產生,如圖 2--6 6C 所示.
           EXB841 剖析
為了更好地應用   IGBT ,有關專家對 EXB841 作了解剖,經反復測試、整理,得到   EXB841 的原理圖,如    圖 2 - 67 所示.圖中參數均為實際測得,引腳標號與實際封裝完全相同.

   EXB841 由放大部分、過流保護部分和   5V 電壓基準部分組成.     放大部分由光耦合器 IS01 ( TLP550 )、 V2 、 V4 、 V5 和 R1 、 C1 、 R2 、 R9 組成,其中 IS01 起隔離作用, V2 是中間級, V4 和 V5 組成推挽輸出.
     過流保護部分由   V1 、    V3 、    VD6 、   VZI 和  C2 、    R3 、    R4 、   R5 、    R6 、
C3 、 R7 、 R8 、 C4 等組成.它們實現過流檢測和延時保護功能. EXB84l 的腳 6 通過快速二極管 VD7 接至 IGBT 的集電極,顯然它是通過檢測電壓  Uce 的高低來判斷是否發生短路.                       5V 電壓基準部分由 r10,  VZ2 和  C5 組成,既為驅動  IGBT 提供一 5V 反偏壓,同時也為輸入光耦合器 IS01 提供副方電源.