大功率IGBT模块的驱动电路设计与参数选择作者：微叶科技 时间：2015-10-29 15:41
根据IGBT模块的工作特性介绍了三种栅极驱动电路,即分立元件组成的驱动电路、集成元件组成的驱动电路、混合驱动电路,并讨论了栅极驱动正向电压、反向关断电压及RG参数的合理确定。栅极驱动电路对于IGBT模块的工作效果有着显著的影响,因此掌握驱动电路的工作原理、特点,对IGBT模块正确选择与使用是很重要的。栅极驱动电压及栅极串并联电阻对IGBT的开通过程驱动波形有很大影响,设计时应综合考虑。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点,又具有功率晶体管电流容量大等优点。IGBT以其独特的高耐压、大电流,较低的导通压降,优良的开关特性,使其具有很宽的应用领域。IGBT频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十千赫频率范围内,特别在较高频率的大、中功率应用中占据了主要地位。IGBT是电压控制型器件,输入电阻很大,工作时基本上不消耗功率,但IGBT的栅源极间存在着较大的电容量(几千至上万皮法)。驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安培的充放电电流,才能满足它开通和关断的动态要求,这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。IGBT作为一种大功率的复合器件,要保证它安全可靠高效地工作,驱动电路设计及驱动参数选择是十分必要的。
1栅极驱动电路
IGBT模块的驱动电路对于IGBT的工作效率起着决定性的作用。对驱动电路的要求是既要减小开关损耗,又要求驱动波形好,振荡小,过冲小。IGBT工作于开关状态时,必须对栅极进行充放电,充放电曲线如图1所示,可以看出驱动IGBT需要一定的电荷量,也就是驱动电路必须提供一定的驱动电压及驱动功率[1]。驱动电路必须具备两个功能:一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;二是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。图1栅极电荷曲线图2为采用光电耦合器构成的分立元件IGBT驱动电路。当输入控制信号时,光耦VLC导通,晶体管V2截止,V3导通,经VC、V3、RG输出+15V驱动电压,使IGBT开通。输入信号为零时,VLC截止,V2,V4导通,输出-10V电压,使IGBT截止。由于IGBT具有MOS栅极构造,在开关过程中,栅极电流用于给栅极充、放电。在V3导通时,电源+VC通过RG对IGBT的栅极进行充电,在V4导通时,通过RG形成IGBT栅极的放电通路。+15V和-10V电源需靠近驱动电路,驱动电路输出端及电源地端至IGBT栅极和源极的引线应采用双绞线,长度最好不超过0.5m,以减小连线电感[2],抑制振荡电压。
图1 栅极电荷曲线
图2 分立元件构成的驱动电路
图3为由集成电路TLP250构成的驱动电路。
图3 集成电路构成的驱动电路
TLP250内置光耦的隔离电压可达2500V,上升和下降时间均小于0.5μs,输出电流达0.5A,可直接驱动50A/1200V以内的IGBT元件,外加推挽放大晶体管后,可驱动电流容量更大的IGBT。TLP250构成的驱动器体积小,价格便宜,是不带过流保护的IG2BT驱动器中较理想的选择。
图4 为由驱动模块EXB841构成的带短路保护的驱动电路。
图4 电路混合模块组成的驱动电路
驱动模块EXB841中的光电耦合器对14～15端的输入控制电路与1～3端输出电路及电源2～9端进行隔离。当14～15端有正脉冲时,光耦导通,1～3端输出脉冲幅值为+15V;当14～15端没有正脉冲时,光耦截止,1～3端子间处于-10V偏压。2～9端和1～9端的电容用于触发电源和1号输出端的平波。快速二极管ERA34-10用于IGBT的短路保护,6号端子经ERA34-10接至主回路IGBT的集电极。当IG2BT发生短路(过电流)故障时,由IGBT输出特性知道,UCE将随IC急剧增大而增大。本来处于导通状态的ERA34-10因此反向截止,驱动电路保护功能动作,输出触发电压UGE从+15V下拉到+10V,IGBT能承受短路的时间增长,从而允许变频器装置内硬件、特别是软件能有充分的时间去执行软关断保护。与此同时5号端子所接的光电耦合器动作,耦合器的输出端接至控制电路,使之封锁住触发信号,保护了IGBT不继续导通。
2 驱动参数选择
2.1栅极驱动的正向电压
IGBT栅极驱动的正向电压是一个重要参数。导通时,集电极-发射极间电压UCE随集电极电流IC、栅极驱动电压UGE而变化。从图5中我们看出,在同样的集电极电流下,UGE=15V时对应的UCE明显比UGE=10V的UCE小,一般而言,UGE越大,UCE越小,通态功耗越小,所以一般希望有较高的栅极电压以提高变换器的整机效率。但是,过高的栅极电压将对集电极电流IC产生明显影响,UGE增加,IC电流增加,如图6所示,当栅极电压超过门限电压后,集电极电流IC随栅极电压UGE的增加而急剧上升,当外电路发生严重过流或短路时,集电极将承受较大电流的冲击,而且冲击电流越大,能承受电流冲击的时间就越短[1]。所以栅极电压低一些可减轻短路时大电流的冲击。
对于IGBT来说,栅极-发射极间电压UGE的最大允许值为UGE=±20V。综合考虑并经实验验证,栅极正向驱动电压设定为+15V时效果较好。
2.2栅极关断反向电压
IGBT在关断过程中,栅极与射极之间要加负偏压,这样有助于提高IGBT的抗干扰能力,加快IGBT的关断,但反向偏压的大小受IGBT栅极与发射极之间最大反向耐压及最小控制电压的限制[1]。IGBT在芯片形成时,各电极之间存在分布电容,当在栅源之间加负偏压,使IGBT处于关断,而C-E两端有变化的电压时,此电压经电容形成充电电流。当UGE负偏压较大时,该电流还不足以使栅极电位升得太高。而当UGE负偏压较小时,栅极电压将升高,并足以使IGBT导通,从而使IC增大,从而造成误导通,影响整个电路的工作,因此,IGBT关断时要加5V以上的负偏压。一般中等功率变换器反偏压5～6V即可,大功率变换器的IGBT一般可加9～12V的反偏压。
2.3RG和RGE的参数大小
由于IGBT栅极输入为电容型,静态驱动时几乎没有直流电流,其直流增益很高。但工作在几十千赫的开关状态时,为了防止栅极电容和驱动电路的分布电感产生自激振荡,一般要在栅极串联消振电阻RG,用来降低振荡回路的Q值,破坏自激振荡的条件。IGBT栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT的开通和关断过程有着较大的影响。在正常情况下,IGBT的开通越快,损耗越小,所以栅极串联电阻小有利于IGBT的开通,但在开通过程中,开通越快,IGBT承受的峰值电流越大,越容易导致IGBT的损坏,此时又应增加电阻RG以降低栅极驱动上升速率,因此,RG的大小应综合考虑,对于输出电流在500A左右的IGBT,电阻RG取2～3Ω比较合适。
当IGBT集电极在高压下工作时,为防止栅极受外界干扰造成误触发导通,应在栅极和发射极之间并联一个电阻RGE,这个电阻应紧靠栅极和发射极,并且电阻值不能太小,否则会造成栅极驱动电压不足和关断过快,使集电极产生较高的尖峰电压。此电阻一般为几十千欧。
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