0  引言

　　IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

    IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還依賴于電路條件和開(kāi)關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是整個(gè)裝置運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　為解決IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，本文給出1700V，200～300A IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

1  IGBT的工作特性

　　IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓UGE來(lái)控制的，當(dāng)UGE大于開(kāi)啟電壓UGE（th）時(shí)IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí)，IGBT被關(guān)斷。

　　IGBT 的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道FET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)  MOSFET 的溝道形成后，從  P+ 基極注入到  N 一層的空穴（少子），對(duì) N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

　　IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開(kāi)通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。

2  IGBT驅(qū)動(dòng)電路要求

　　在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)。

　　1）柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)，．IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開(kāi)通損耗減小；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過(guò)熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。

　　2）IGBT快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開(kāi)關(guān)頻率不宜過(guò)大，因?yàn)楦咚匍_(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

　　3）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開(kāi)通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會(huì)增加IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗。

　　4）當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。

3  HCPL-316J驅(qū)動(dòng)電路

3.1  HCPL-316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

　　HCPL-316J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。

　　從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC（左邊）和輸出IC（右邊）二部分，輸入和輸出之間完滿足高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)的要求。

　　各引腳功能如下：

　　腳1（VIN+）正向信號(hào)輸入；

　　腳2（VIN-）反向信號(hào)輸入；

　　腳3（VCG1）接輸入電源；

　　腳4（GND）輸入端的地；

　　腳5（RESERT）芯片復(fù)位輸入端；

　　腳6（FAULT） 故障輸出，當(dāng)發(fā)生故障（輸出正向電壓欠壓或IGBT短路）時(shí)，通過(guò)光耦輸出故障信號(hào)；

　　腳7（VLED1+）光耦測(cè)試引腳，懸掛；

　　腳8（VLED1-）接地；

　　腳9，腳10（VEE）給IGBT提供反向偏置電壓；

　　腳11（VOUT）輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT；

　　腳12（VC）三級(jí)達(dá)林頓管集電極電源；

　　腳13（VCC2）驅(qū)動(dòng)電壓源；

　　腳14（DESAT） IGBT短路電流檢測(cè)；

　　腳15（VLED2+）光耦測(cè)試引腳，懸掛；

　　腳16（VE）輸出基準(zhǔn)地。

　　其工作原理如圖1所示。若VIN+正常輸入，腳14沒(méi)有過(guò)流信號(hào)，且VCC2-VE=12v即輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓正常，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出高電平，故障信號(hào)和欠壓信號(hào)輸出低電平。首先3路信號(hào)共同輸入到JP3，D點(diǎn)低電平，B點(diǎn)也為低電平，50×DMOS處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)JP1的輸入的4個(gè)狀態(tài)從上至下依次為低、高、低、低，A點(diǎn)高電平，驅(qū)動(dòng)三級(jí)達(dá)林頓管導(dǎo)通，IGBT也隨之開(kāi)通。

　　若IGBT出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)（腳14檢測(cè)到IGBT集電極上電壓=7V），而輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼續(xù)加在腳1，欠壓信號(hào)為低電平，B點(diǎn)輸出低電平，三級(jí)達(dá)林頓管被關(guān)斷，1×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集之間的電壓慢慢放掉，實(shí)現(xiàn)慢降柵壓。當(dāng)VOUT=2V時(shí)，即VOUT輸出低電平，C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖剑珺點(diǎn)為高電平，50×DMOS導(dǎo)通，IGBT柵射集迅速放電。

3.2  驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)電路及參數(shù)如圖3所示。

　　HCPL-316J左邊的VIN+，F(xiàn)AULT和RESET分別與微機(jī)相連。R7，R8，R9，D5，D6和C12 起輸入保護(hù)作用，防止過(guò)高的輸入電壓損壞IGBT，但是保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生約1μs延時(shí)，在開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)100kHz時(shí)不適合使用。

　　在輸出端，R5和C7關(guān)系到IGBT開(kāi)通的快慢和開(kāi)關(guān)損耗，增加C7可以明顯地減小dic／dt。首先計(jì)算柵極電阻：其中ION為開(kāi)通時(shí)注入IGBT的柵極電流。為使IGBT迅速開(kāi)通，設(shè)計(jì)，IONMAX值為20A。輸出低電平VOL=2v?？傻?/P>

　　C3是一個(gè)非常重要的參數(shù)，主要起充電延時(shí)作用。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)，芯片開(kāi)始工作時(shí)，由于IGBT的集電極C端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于7V，若沒(méi)有C3，則會(huì)錯(cuò)誤地發(fā)出短路故障信號(hào)，使輸出直接關(guān)斷。當(dāng)芯片正常工作以后，假使集電極電壓瞬間升高，之后立刻恢復(fù)正常，若沒(méi)有C3，則也會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號(hào)，使IGBT誤關(guān)斷。但是，C3的取值過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，而且在飽和情況下，也可能使IGBT在延時(shí)時(shí)間內(nèi)就被燒壞，起不到正確的保護(hù)作用， C3取值100pF，其延時(shí)時(shí)間

　　在集電極檢測(cè)電路用兩個(gè)二極管串連，能夠提高總體的反向耐壓，從而能夠提高驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)，但二極管的反向恢復(fù)時(shí)間要很小，且每個(gè)反向耐壓等級(jí)要為1000V，一般選取BYV261E，反向恢復(fù)時(shí)間75 ns。R4和C5的作用是保留HCLP-316J出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)后具有的軟關(guān)斷特性，其原理是C5通過(guò)內(nèi)部MOSFET的放電來(lái)實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。圖3中輸出電壓VOUT經(jīng)過(guò)兩個(gè)快速三極管推挽輸出，使驅(qū)動(dòng)電流能達(dá)到20A，能夠快速驅(qū)動(dòng)1700v、200-300A的IGBT。

3．3  驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

　　在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定的電源是IGBT能否正常工作的保證。如圖4所示。電源采用正激變換，抗干擾能力較強(qiáng)，副邊不加濾波電感，輸入阻抗低，使在重負(fù)載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定。

　　當(dāng)s開(kāi)通時(shí)，+12v（為比較穩(wěn)定的電源，很高）電壓便加到變壓器原邊和S相連的繞組，通過(guò)能量耦合使副邊經(jīng)過(guò)整流輸出。當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，通過(guò)原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源，實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位。12v經(jīng)過(guò)R1，D2給C1充電，其充電時(shí)間t1≈R1C2ln2；放電時(shí)間t2=R2C1ln2，充電時(shí)輸出高電平，放電時(shí)輸出低電平。所以占空比=t1／（t1+t2）。

　　變壓器按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：原邊接+12v，頻率為60kHz，工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw為O.15T，副邊+15v輸出2A，-5v輸出1 A，效率n=80％，窗口填充系數(shù)Km為O.5，磁芯填充系數(shù)Kc為1，線圈導(dǎo)線電流密度d為3 A／mm2。則輸出功率

　　PT=（15+O.6）×2×2+（5+O.6）×1×2=64W。

　　變壓器磁芯參數(shù)

　　由于帶載后驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓會(huì)有所下降，所以，在實(shí)際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。

4  結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可驅(qū)動(dòng)l700v，200～300A的IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)IGBT（同一橋臂）的互鎖，并設(shè)計(jì)了可以直接給兩個(gè)IGBT供電的驅(qū)動(dòng)電源。