IGBT驱动的作用与原理以及IGBT和功率MOSFET的驱动电路

时间:2019-6-19 分享到:
IGBT驱动的作用与原理以及IGBT和功率MOSFET的驱动电路
IGBT驱动电路作用
IGBT驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大,以达到驱动IGBT功率器件的目的。在保证IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提,驱动电路起到至关重要的作用。IGBT是MOSFET管与双极晶体管的复合器件,既有MOSFET易驱动的优点,又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点,其频率特性介于MOSFET管与功率晶体管之间,可正常工作于数十千赫兹的频率范围内。为了让IGBT安全、可靠地工作,其栅极应连接与之匹配的驱动电路。IGBT驱动的两个功能, 实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。
  一.驱动电路的要求
    (1)提供适当的正反向电压,使IGBT能可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降,但若ce过大,则负载短路时其c随ce增大而增大,对其安全不利,使用中选GE《15V为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般选UGE一一5V为宜。
  (2)IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。但在大电感负载下,IGBT的开频率不宜过大,因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压,及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
  (3)IGBT开通后,驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
  (4)IGBT驱动电路中的电阻尺G对工作性能有较大的影响,尺。较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT的开关时间和开关损20耗;Rc较小,会引起电流上升率增大,使IGBT误导通或损坏。Rc的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧~几十欧,小容量的IGBT其Rc值较大。
  (5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,G—E断不能开路。
    二.常见的IGBT驱动电路
    (1)脉冲变压器式
    该方式是利用变压器的工作原理,由次级感应电压直接驱动IGBT,如图1所示。由于变压器具有阻抗变换与隔离作用,所以这种驱动方式不仅简化了驱动电路,还解决了驱动电路的供电与 IGBT不共地的连接问题。
IGBT驱动的作用与原理以及IGBT和功率MOSFET的驱动电路
图1 采用脉冲变压器隔离驱动IGBT
 2、采用光耦合器及CMOS 驱动IGBT
  电路图如图2 所示,该电路自身带过流保护功能,光耦合器将脉冲控制电路与驱动电路隔离,4011 的四个与非门并联工作提高了驱动能力,互补晶体管V1、V2 降低驱动电路阻抗,通过R1、C1 与R2、C2 获得不同的正、反向驱动电压,以满足各种IGBT 对栅极驱动电压的要求。该电路由于受光耦合器传输速度的影响,其工作频率不能太高,同时受4011 型CMOS电路最高工作电压的限制,使+VGE 和-VGE 的幅值相互牵制,并受到限制。
IGBT驱动的作用与原理以及IGBT和功率MOSFET的驱动电路
图2 采用光耦合器及CMOS 驱动IGBT
 3、 用专用混合集成驱动电路
  目前,国外很多生产IGBT 器件的公司,为了解决IGBT 驱动的可靠性问题,纷纷推出IGBT专用驱动电路,如美国MOTOROLA 公司的MPD 系列、日本东芝公司的KT 系列、日本富士公司的EXB 系列等。这些驱动电路抗干扰能力强,集成化程度高,速度快,保护功能完善,可实现IGBT 的最优驱动,但一般价格比较昂贵,对于普通用户很难接受。
 三.IGBT参数对驱动电路设计的要求
  IGBT 的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE 和栅极电阻RG 的大小,对IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表1 所示。
IGBT驱动的作用与原理以及IGBT和功率MOSFET的驱动电路
    表1 门极驱动条件与器件特性的关系
   1、 正偏压+VGE 的影响
  当VGS 增加时,通态电压下降,IGBT 的开通能量损耗下降,但是VGE 不能随意增加,因为VGE 增加到一定程度之后对IGBT 的负载短路能力及dVCE/dt 电流有不利影响。
  2、 负偏压-VGE 的影响
  负偏压也是很重要的门极驱动条件,它直接影响IGBT 的可靠运行。虽然-VGE 对关断能耗没有显着影响,担负偏压的增高会使漏极浪涌电流明显下降,从而避免过大的漏极浪涌电流使IGBT 发生不可控的擎住现象。
  3、 门极电阻RG 的影响
  门极电阻增加,使IGBT 的开通与关断能耗均增加,门极电阻减小又使di/dt 增大,可能引发IGBT 误导通,同时RG 上的能耗也有所增加。所以通常RG 一般取十几欧到几百欧之间。
  因此,为了使IGBT 能够安全可靠得到通和关断,其驱动电路必须满足一下条件:
  1.由于是容性输入阻抗,IGBT 对门极电荷集聚很敏感,因此要保证有一条低阻抗值得放电回路。
  2.门极电路中的正偏压应为+12-15V,负偏压-2–10V。
  3. 驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。
  4.门极驱动电路应尽可能简单实用,具有对IGBT 的自保护功能,并有较强的抗干扰能力。

一、驱动电路概述
驱动电路又称为激励电路,它是主电路与控制电路之间的接口,它的主要作用体现在:
(1)使功率开关管工作在较理想的开关状态,缩短开关时间,减小开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
(2)对功率开关管或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中,或通过驱动电路实现。
驱动电路的基本任务将控制电路传来的信号按控制目标的要求,转换为加在功率开关管的控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的信号,保证功率开关管在该关断的时候关断,并在整个关断期间维持关断;在该开通的时候迅速开通,并在整个开通期间维持开通。
在开关电源中,控制电路中的信号一般是弱电信号,而主电路中的信号是强电信号,为了防止主电路中的强电信号干扰控制电路中的弱电信号,在主电路与控制电路之间的接口——驱动电路,需要设置电气隔离环节,驱动电路中的电气隔离一般采用光隔离或磁隔离,光隔离一般采用光耦合器,磁隔离的元件通常是变压器。
驱动电路根据驱动的功率开关管的不同,可以分为电流驱动型和电压驱动型,其中功率晶体管需要电流型驱动电路驱动,电压型驱动电路驱动功率MOSFET和IGBT。驱动电路根据电路的具体形式可以分为分立元件组成的驱动电路和专用集成驱动电路,目前的趋势是和采用集成驱动电路。

  二、功率MOSFET的驱动电路
  3.1 功率MOSFET的驱动电路的要求
(1)由于功率MOSFET的栅极和源极之间有数千皮法的电容,为快速建立驱动电压,要求驱动电路输出电阻小。
(2)MOSFET开通的驱动电压一般为10~15 V。
(3)关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-5~-15 V)有利于减小关断时间和关断损耗。
(4)在栅极串入一只低值电阻(数十欧左右)可以减小寄生振荡,该电阻阻值应随着被驱动器件电流额定值的增大而减小。

  3.2 功率MOSFET的驱动电路
功率MOSFET的驱动电路如图2所示,该电路由电气隔离和晶体管放大电路两个部分组成。当无输入信号时,高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压;当有输入信号时,A输出正电平,V2导通输出正驱动电压。

IGBT驱动的作用与原理以及IGBT和功率MOSFET的驱动电路
图2 功率MOSFET的驱动电路

三、 IGBT的驱动电路
  2.1 功率IGBT的驱动电路的要求
(1)由于功率IGBT的栅极和发射极之间有数千皮法的电容,为快速建立驱动电压,要求驱动电路输出电阻小。
(2)MOSFET开通的驱动电压一般为15~20 V。
(3)关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-5~-15 V)有利于减小关断时间和关断损耗。
(4)在栅极串入一只低值电阻(数十欧左右)可以减小寄生振荡,该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

  2.2 IGBT的驱动电路
IGBT的驱动电路多采用专用的混合集成驱动器,常用的有三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851)三菱公司的M579系列内部具有退饱和检测和保护环节,当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT,并向外部电路给出故障信号,M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右,负驱动电压为-10V。M57962L型集成IGBT驱动电路的原理和接线图如图1所示。

IGBT驱动的作用与原理以及IGBT和功率MOSFET的驱动电路
图1  M57962L型集成IGBT驱动电路的原理和接线图

  

  3.3 集成MOSFET驱动电路
专为驱动MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L,其输入信号电流幅值为16mA,输出最大脉冲电流为+2 A和-3A,输出驱动电压为+15V和-10 V。
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