三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動(dòng)電路的分析

1、三相逆變器中 IGBT 的幾種驅(qū)動(dòng)電路的分析 三相逆變器中 IGBT 的幾種驅(qū)動(dòng)電路的分析 摘要：對(duì) 幾種三相逆變器中常用的 IGBT 驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用集成電路進(jìn)行了詳 細(xì)的分析，對(duì) TLP250 、EXB8 系列和 M579 系列進(jìn)行了深入 的討論，給出了它們的電氣特性參數(shù)和內(nèi)部功能方框圖，還 給出了它們的典型應(yīng)用電路。討論了它們的使用要點(diǎn)及注意 事項(xiàng)。對(duì)每種驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行了 IGBT 的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)有關(guān) 的波形驗(yàn)證了它們的特點(diǎn)。最后得出結(jié)論： IGBT 驅(qū)動(dòng)集成 電路的發(fā)展趨勢(shì)是集過(guò)流保護(hù)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大功能、能夠外 接電源且具有很強(qiáng)抗干擾能力等于一體的復(fù)合型電路。 關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極晶體管；集成電

2、路；過(guò)流保護(hù) 1 前言 電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器 件得到了迅速的發(fā)展。 20 世紀(jì) 80 年代，為了給高電壓應(yīng)用 環(huán)境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣門(mén)極雙極 型晶體管（ IGBT ） 1 。在 IGBT 中，用一個(gè) MOS 門(mén)極區(qū)來(lái) 控制寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了 一種具有功率 MOSFET 的高輸入阻抗與雙極型器件優(yōu)越通 態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件，它具有控制功率小、開(kāi)關(guān) 速度快和電流處理能力大、 飽和壓降低等性能。 在中小功率、 低噪音和高性能的電源、逆變器、不間斷電源（UPS）和交 流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它是目前最為常見(jiàn)的一種器

3、件。 功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅(qū)動(dòng)電路也在不斷地發(fā) 展，相繼出現(xiàn)了許多專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)集成電路。 IGBT 的觸發(fā)和 關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵 極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)， 必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電 荷的要求、耐固性要求和電源的情況。 圖 1 為一典型的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路原理示意圖。 因?yàn)?IGBT 柵極 ?發(fā)射極阻抗大， 故可 使用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)， 不過(guò)由于 IGBT 的輸入電 容較 MOSFET 為大，故 IGBT 的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。 對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)

4、電路 的一般要求 23 ： 1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓 IGBT 開(kāi)通時(shí)， 正向柵極電壓的值應(yīng)該 足夠令 IGBT 產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí) 也應(yīng)限制短路電流和它所帶來(lái)的功率應(yīng)力。在任何情況下， 開(kāi)通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)該在1220V之間。當(dāng)柵極電壓 為零時(shí)， IGBT 處于斷態(tài)。但是，為了保證 IGBT 在集電極 ? 發(fā)射極電壓上出現(xiàn) dv/dt 噪聲時(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極上 施加一個(gè)反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。 反向偏壓應(yīng)該在 515V 之間。 2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對(duì) IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。 IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的 充

5、放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對(duì) IGBT 的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn) 生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快， 從而減小開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強(qiáng) 了器件工作的耐固性（可避免 dv/dt 帶來(lái)的誤導(dǎo)通） ，但與此 同時(shí)，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極發(fā)射 極電容和柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)的寄生電感產(chǎn)生振蕩。 3）柵極驅(qū)動(dòng)功率 IGBT 要消耗來(lái)自柵極電源的功率， 其 功率受柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)、正偏置電壓的差值 UGE、柵極總電荷 QG 和工作頻率 fs 的影響。電源的最大峰值電流 IGPK 為： 在本文中，我們將對(duì)幾種最新的用于 IGBT 驅(qū)動(dòng)的集成電路 做一個(gè)詳細(xì)的介紹，討論其使用方

6、法和優(yōu)缺點(diǎn)及使用過(guò)程中 應(yīng)注意的問(wèn)題。 2 幾種用于 IGBT 驅(qū)動(dòng)的集成芯片 2.1TLP250 （TOSHIBA 公司生產(chǎn)） 在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相 關(guān)的性能控制，通過(guò)檢測(cè)直流母線(xiàn)上流入逆變橋的直流電流 即可，如變頻器中的自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償?shù)?。同時(shí)， 這一檢測(cè)結(jié)果也可以用來(lái)完成對(duì)逆變單元中 IGBT 實(shí)現(xiàn)過(guò)流 保護(hù)等功能。因此在這種逆變器中，對(duì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的要 求相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本也比較低。這種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)芯片主要 有東芝公司生產(chǎn)的 TLP250 ，夏普公司生產(chǎn)的 PC923 等等。 這里主要針對(duì) TLP250 做一介紹。 TLP250 包含一個(gè) Ga

7、AlAs 光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè) 器，8 腳雙列封裝結(jié)構(gòu)。適合于 IGBT 或電力 MOSFET 柵極 驅(qū)動(dòng)電路。圖 2 為 TLP250 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，表 1 給出了其 工作時(shí)的真值表。 TLP250 的典型特征如下： 1）輸入閾值電流（ IF）：5mA （最大）； 2）電源電流（ ICC ）： 11mA （最大）； 3）電源電壓（VCC ）: 1035V ; 4）輸出電流（ IO）： 0.5A （最?。?； 5）開(kāi)關(guān)時(shí)間（tPLH/tPHL ）: 0.5卩s （最大）； 6）隔離電壓： 2500Vpms （最?。?。 表 2 給出了 TLP250 的開(kāi)關(guān)特性，表 3 給出了 TLP2

8、50 的推 薦工作條件。 注：使用 TLP250 時(shí)應(yīng)在管腳 8和 5間連 接一個(gè)0.1卩F的陶瓷電容來(lái)穩(wěn)定高增益線(xiàn)性放大器的工作， 提供的旁路作用失效會(huì)損壞開(kāi)關(guān)性能，電容和光耦之間的引 線(xiàn)長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò) 1cm。 圖 3 和圖 4 給出了 TLP250 的兩種典型的應(yīng)用電路。 在圖4中，TR1和TR2的選取與用于IGBT驅(qū)動(dòng)的柵極電阻 有直接的關(guān)系，例如，電源電壓為 24V 時(shí)， TR1 和 TR2 的 Icmax 24/Rg。 圖 5給出了 TLP250 驅(qū)動(dòng) IGBT 時(shí)， 1200V/200A 的 IGBT 上電流的實(shí)驗(yàn)波形（50A/10卩s）?？梢钥闯觯捎?TLP250 不具備過(guò)流保

9、護(hù)功能， 當(dāng) IGBT 過(guò)流時(shí)， 通過(guò)控制信號(hào)關(guān)斷 IGBT， IGBT 中電流的下降很陡，且有一個(gè)反向的沖擊。這 將會(huì)產(chǎn)生很大的 di/dt 和開(kāi)關(guān)損耗， 而且對(duì)控制電路的過(guò)流保 護(hù)功能要求很高。 TLP250 使用特點(diǎn)： 1） TLP250 輸出電流較小，對(duì)較大功率 IGBT 實(shí)施驅(qū)動(dòng)時(shí)， 需要外加功率放大電路。 2）由于流過(guò) IGBT 的電流是通過(guò)其它電路檢測(cè)來(lái)完成的， 而 且僅僅檢測(cè)流過(guò) IGBT 的電流，這就有可能對(duì)于 IGBT 的使 用效率產(chǎn)生一定的影響，比如 IGBT 在安全工作區(qū)時(shí)，有時(shí) 出現(xiàn)的提前保護(hù)等。 3）要求控制電路和檢測(cè)電路對(duì)于電流信號(hào)的響應(yīng)要快，一 般由過(guò)電流發(fā)生到

10、IGBT可靠關(guān)斷應(yīng)在10卩s以?xún)?nèi)完成。 4）當(dāng)過(guò)電流發(fā)生時(shí)， TLP250 得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號(hào)， 對(duì) IGBT 的柵極施加一負(fù)電壓，使 IGBT 硬關(guān)斷。這種主電 路的 dv/dt 比正常開(kāi)關(guān)狀態(tài)下大了許多， 造成了施加于 IGBT 兩端的電壓升高很多，有時(shí)就可能造成 IGBT 的擊穿。 2.2EXB8.Series（FUJIELECTRIC 公司生產(chǎn)）隨著有些 電氣設(shè)備對(duì)三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身 的原因，在現(xiàn)有的許多逆變器中，把逆變單元 IGBT 的驅(qū)動(dòng) 與保護(hù)和主電路電流的檢測(cè)分別由不同的電路來(lái)完成。這種 驅(qū)動(dòng)方式既提高了逆變器的性能，又提高了 IGBT 的工作效 率

11、，使 IGBT 更好地在安全工作區(qū)工作。這類(lèi)芯片有富士公 司的 EXB8.Series 、夏普公司的 PC929 等。在這里，我們主 要針對(duì) EXB8.Series 做一介紹。 EXB8.Series 集成芯片是一種專(zhuān)用于 IGBT 的集驅(qū)動(dòng)、保護(hù) 等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng) 用變頻器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工 業(yè)領(lǐng)域。具有以下的特點(diǎn)： 1） 不同的系列（標(biāo)準(zhǔn)系列可用于達(dá)到10kHz 開(kāi)關(guān)頻率工作 的 IGBT ，高速系列可用于達(dá)到 40kHz 開(kāi)關(guān)頻率工作的 IGBT ）。 2） 內(nèi)置的光耦可隔離高達(dá) 2500V/min 的電壓。 3） 單電源的

12、供電電壓使其應(yīng)用起來(lái)更為方便。 4） 內(nèi)置的過(guò)流保護(hù)功能使得IGBT 能夠更加安全地工作。 5） 具有過(guò)流檢測(cè)輸出信號(hào)。 6）單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式。 常用的 EXB8.Series 主要有：標(biāo)準(zhǔn)系列的 EXB850 和 EXB851 ，高速系列的 EXB840 和 EXB841 。其主要應(yīng)用場(chǎng)合 如表4所示。注：1）標(biāo)準(zhǔn)系列：驅(qū)動(dòng)電路中的信號(hào)延遲W4 p, s 2）高速系列：驅(qū)動(dòng)電路中的信號(hào)延遲w1.5 p s 圖 6 給出了 EXB8.Series 的功能方框圖。表 5 給出了 EXB8.Series 的電氣特性。表 6 給出了 EXB8.Series 工作時(shí) 的推薦工作

13、條件。 表 6EXB8.Series 工作時(shí)的推薦工作條件圖 7 給出了 EXB8.Series 的典型應(yīng)用電路。 EXB8.Series 使用不 同的型號(hào)，可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)400A，電壓高達(dá)1200V 的各種型號(hào)的 IGBT 。由于驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)延遲時(shí)間分為兩 種：標(biāo)準(zhǔn)型（EXB850、EXB851 ） 4 卩 s,高速型（EXB840、 EXB841 ） 1卩s,所以標(biāo)準(zhǔn)型的IC適用于頻率高達(dá)10kHz 的開(kāi)關(guān)操作，而高速型的 IC 適用于頻率高達(dá) 40kHz 的開(kāi)關(guān) 操作。在應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)中,應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： IGBT 柵?射極驅(qū)動(dòng)電路接線(xiàn)必須小于1m； IGBT 柵?射極

14、驅(qū)動(dòng)電路接線(xiàn)應(yīng)為雙絞線(xiàn)； 如想在 IGBT 集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖,那么增加 IGBT柵極串聯(lián)電阻（Rg）即可； 應(yīng)用電路中的電容 C1 和 C2 取值相同,對(duì)于 EXB850 和EXB840來(lái)說(shuō)，取值為 33卩F，對(duì)于EXB851和EXB841 來(lái)說(shuō)，取值為47卩F。該電容用來(lái)吸收由電源接線(xiàn)阻抗而引 起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。 EXB8.Series 的使用特點(diǎn)： 1） EXB8.Series 的驅(qū)動(dòng)芯片是通過(guò)檢測(cè) IGBT 在導(dǎo)通過(guò)程中 的飽和壓降 Uce 來(lái)實(shí)施對(duì) IGBT 的過(guò)電流保護(hù)的。 對(duì)于 IGBT 的過(guò)電流處理完全由驅(qū)動(dòng)芯片自身完成,對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)用的 三相逆變器

15、實(shí)現(xiàn)無(wú)跳閘控制有較大的幫助。 2） EXB8.Series 的驅(qū)動(dòng)芯片對(duì) IGBT 過(guò)電流保護(hù)的處理采用 了軟關(guān)斷方式,因此主電路的 dv/dt 比硬關(guān)斷時(shí)小了許多, 這對(duì) IGBT 的使用較為有利,是值得重視的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 3）EXB8.Series 驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)集成了功率放大電路,這在一定 程度上提高了驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力。 4） EXB8.Series 的驅(qū)動(dòng)芯片最大只能驅(qū)動(dòng) 1200V/300A 的 IGBT ，并且它本身并不提倡外加功率放大電路， 另外，從圖 7 中可以看出， 該類(lèi)芯片為單電源供電， IGBT 的關(guān)斷負(fù)電壓 信號(hào)是由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的 5V 信號(hào)，容易受到外部的干擾。 因此對(duì)

16、于 300A 以上的 IGBT 或者 IGBT 并聯(lián)時(shí)，就需要考慮 別的驅(qū)動(dòng)芯片，比如三菱公司的 M57962L 等。 圖 8 給出了 EXB841 驅(qū)動(dòng) IGBT 時(shí)，過(guò)電流情況下的實(shí)驗(yàn)波 形?？梢钥闯觯缜懊娼榻B過(guò)的，由于EXB8.Series 芯片 內(nèi)部具備過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng) IGBT 過(guò)流時(shí)，采用了軟關(guān)斷方 式關(guān)斷 IGBT ，所以 IGBT 中電流是一個(gè)較緩的斜坡下降， 這 樣一來(lái)， IGBT 關(guān)斷時(shí)的 di/dt 明顯減少，這在一定程度上減 小了對(duì)控制電路的過(guò)流保護(hù)性能的要求。 2.3M579.Series （ MITSUBISHI 公司生產(chǎn)） M579.Series 是日本三菱公

17、司為 IGBT 驅(qū)動(dòng)提供的一種 IC 系 列，表 7 給出了這種系列的幾種芯片的基本應(yīng)用特性（其中 有者為芯片內(nèi)部含有 Booster 電路）。 在 M579.Series 中，以 M57962L 為例做出一般的解釋。 隨著 逆變器功率的增大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的抗干擾能力顯 得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷 IGBT 時(shí)的負(fù)電壓， M57962L 的負(fù)電源是外加的（這點(diǎn)和 EXB8.Series 不同），所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。它的功能框圖 和圖 6所示的 EXB8.Series 功能框圖極為類(lèi)似，在此不再贅 述。圖 9 給出了 M57962L 在驅(qū)動(dòng)大功率 IGBT 模塊時(shí)的

18、典型 電路圖。在這種電路中， NPN 和 PNP 構(gòu)成的電壓提升電路 選用快速晶體管(tf 200ns),并且要有足夠的電流增益以 承載需要的電流。 在使用 M57962L 驅(qū)動(dòng)大功率 IGBT 模塊時(shí)， 應(yīng)注意以下三個(gè)方面的問(wèn)題： 1) 驅(qū)動(dòng)芯片的最大輸出電流峰值受柵極電阻Rg 的最小值限 制，例如，對(duì)于 M57962L來(lái)說(shuō)，Rg的允許值在 5Q左右， 這個(gè)值對(duì)于大功率的 IGBT 來(lái)說(shuō)高了一些，且當(dāng) Rg 較高時(shí)， 會(huì)引起IGBT的開(kāi)關(guān)上升時(shí)間td(on)、下降時(shí)間td(off)以及開(kāi) 關(guān)損耗的增大，在較高開(kāi)關(guān)頻率( 5kHz 以上)應(yīng)用時(shí)，這些 附加損耗是不可接受的。 2) 即便是這些附加損耗和較慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以被接受，驅(qū) 動(dòng)電路的功耗也必須考慮，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率高到一定程度時(shí)(高 于 14kHz) ，會(huì)引起驅(qū)動(dòng)芯片過(guò)熱。 3) 驅(qū)動(dòng)電路緩慢的關(guān)斷會(huì)使大功率IGBT 模塊的開(kāi)關(guān)效率降 低，這是因?yàn)榇蠊β?IGBT 模塊的柵極寄生電容相對(duì)比較大， 而驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅(qū)動(dòng)電路緩慢的關(guān)斷 還