三相逆變器中IGBT的幾種驅動電路的分析

??摘要：對幾種三相逆變器中常用的IGBT驅動專用集成電路進行了詳細的分析，對TLP250、EXB8系列和M579系列進行了深入的討論，給出了它們的電氣特性參數和內部功能方框圖，還給出了它們的典型應用電路。討論了它們的使用要點及注意事項。對每種驅動芯片進行了IGBT的驅動實驗，通過有關的波形驗證了它們的特點。最后得出結論：IGBT驅動集成電路的發展趨勢是集過流保護、驅動信號放大功能、能夠外接電源且具有很強抗干擾能力等于一體的復合型電路。
關鍵詞：絕緣柵雙極晶體管；集成電路；過流保護?

1前言
??? 電力電子變換技術的發展，使得各種各樣的電力電子器件得到了迅速的發展。20世紀80年代，為了給高電壓應用環境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）[1]。在IGBT中，用一個MOS門極區來控制寬基區的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產生了一種具有功率MOSFET的高輸入阻抗與雙極型器件優越通態特性相結合的非常誘人的器件，它具有控制功率小、開關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）和交流電機調速系統的設計中，它是目前最為常見的一種器件。
??? 功率器件的不斷發展，使得其驅動電路也在不斷地發展，相繼出現了許多專用的驅動集成電路。IGBT的觸發和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、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驅動電路原理示意圖。因為IGBT柵極?發射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

??? 對IGBT驅動電路的一般要求[2][3]：
??? 1）柵極驅動電壓IGBT開通時，正向柵極電壓的值應該足夠令IGBT產生完全飽和，并使通態損耗減至最小，同時也應限制短路電流和它所帶來的功率應力。在任何情況下，開通時的柵極驅動電壓，應該在12～20V之間。當柵極電壓為零時，IGBT處于斷態。但是，為了保證IGBT在集電極?發射極電壓上出現dv/dt噪聲時仍保持關斷，必須在柵極上施加一個反向關斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關斷損耗。反向偏壓應該在－5～－15V之間。
??? 2）串聯柵極電阻（Rg）選擇適當的柵極串聯電阻對IGBT柵極驅動相當重要。IGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現的，因此柵極電阻值將對IGBT的動態特性產生極大的影響。數值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關時間和開關損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來的誤導通），但與此同時，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導致柵極－發射極電容和柵極驅動導線的寄生電感產生振蕩。
??? 3）柵極驅動功率IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅動負、正偏置電壓的差值ΔUGE、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，我們將對幾種最新的用于IGBT驅動的集成電路做一個詳細的介紹，討論其使用方法和優缺點及使用過程中應注意的問題。
??? 2幾種用于IGBT驅動的集成芯片
??? 2.1TLP250（TOSHIBA公司生產）
??? 在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相關的性能控制，通過檢測直流母線上流入逆變橋的直流電流即可，如變頻器中的自動轉矩補償、轉差率補償等。同時，這一檢測結果也可以用來完成對逆變單元中IGBT實現過流保護等功能。因此在這種逆變器中，對IGBT驅動電路的要求相對比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅動芯片主要有東芝公司生產的TLP250，夏普公司生產的PC923等等。這里主要針對TLP250做一介紹。
??TLP250包含一個GaAlAs光發射二極管和一個集成光探測器，8腳雙列封裝結構。適合于IGBT或電力MOSFET柵極驅動電路。圖2為TLP250的內部結構簡圖，表1給出了其工作時的真值表。

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）：10～35V；
4）輸出電流（IO）：±0.5A（最小）；
5）開關時間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）；
6）隔離電壓：2500Vpms（最小）。
表2給出了TLP250的開關特性，表3給出了TLP250的推薦工作條件。

??? 注：使用TLP250時應在管腳8和5間連接一個0.1μF的陶瓷電容來穩定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關性能，電容和光耦之間的引線長度不應超過1cm。
??? 圖3和圖4給出了TLP250的兩種典型的應用電路。

??? 在圖4中，TR1和TR2的選取與用于IGBT驅動的柵極電阻有直接的關系，例如，電源電壓為24V時，TR1和TR2的Icmax≥24/Rg。
??? 圖5給出了TLP250驅動IGBT時，1200V/200A的IGBT上電流的實驗波形（50A/10μs）。可以看出，由于TLP250不具備過流保護功能，當IGBT過流時， 通過控制信號關斷IGBT，IGBT中電流的下降很陡，且有一個反向的沖擊。這將會產生很大的di/dt和開關損耗，而且對控制電路的過流保護功能要求很高。

TLP250使用特點：
1）TLP250輸出電流較小，對較大功率IGBT實施驅動時，需要外加功率放大電路。
2）由于流過IGBT的電流是通過其它電路檢測來完成的，而且僅僅檢測流過IGBT的電流，這就有可能對于IGBT的使用效率產生一定的影響，比如IGBT在安全工作區時，有時出現的提前保護等。
3）要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應要快，一般由過電流發生到IGBT可靠關斷應在10μs以內完成。
4）當過電流發生時，TLP250得到控制器發出的關斷信號，對IGBT的柵極施加一負電壓，使IGBT硬關斷。這種主電路的dv/dt比正常開關狀態下大了許多，造成了施加于IGBT兩端的電壓升高很多，有時就可能造成IGBT的擊穿。

2.2EXB8..Series（FUJIELECTRIC公司生產）

??? 隨著有些電氣設備對三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身的原因，在現有的許多逆變器中，把逆變單元IGBT的驅動與保護和主電路電流的檢測分別由不同的電路來完成。這種驅動方式既提高了逆變器的性能，又提高了IGBT的工作效率，使IGBT更好地在安全工作區工作。這類芯片有富士公司的EXB8..Series、夏普公司的PC929等。在這里，我們主要針對EXB8..Series做一介紹。
EXB8..Series集成芯片是一種專用于IGBT的集驅動、保護等功能于一體的復合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅動用變頻器、伺服電機驅動、UPS、感應加熱和電焊設備等工業領域。具有以下的特點：
1）不同的系列（標準系列可用于達到10kHz開關頻率工作的IGBT，高速系列可用于達到40kHz開關頻率工作的IGBT）。
2）內置的光耦可隔離高達2500V/min的電壓。
3）單電源的供電電壓使其應用起來更為方便。
4）內置的過流保護功能使得IGBT能夠更加安全地工作。
5）具有過流檢測輸出信號。
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：標準系列的EXB850和EXB851，高速系列的EXB840和EXB841。其主要應用場合如表4所示。

注：1）標準系列：驅動電路中的信號延遲≤4μs
2）高速系列：驅動電路中的信號延遲≤1.5μs
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工作時的推薦工作條件。表6EXB8..Series工作時的推薦工作條件

圖7給出了EXB8..Series的典型應用電路。

EXB8..Series使用不同的型號，可以達到驅動電流高達400A，電壓高達1200V的各種型號的IGBT。由于驅動電路的信號延遲時間分為兩種：標準型（EXB850、EXB851）≤4μs，高速型（EXB840、EXB841）≤1μs，所以標準型的IC適用于頻率高達10kHz的開關操作，而高速型的IC適用于頻率高達40kHz的開關操作。在應用電路的設計中，應注意以下幾個方面的問題：
——IGBT柵?射極驅動電路接線必須小于1m；
——IGBT柵?射極驅動電路接線應為雙絞線；
——如想在IGBT集電極產生大的電壓尖脈沖，那么增加IGBT柵極串聯電阻（Rg）即可；
——應用電路中的電容C1和C2取值相同，對于EXB850和EXB840來說，取值為33μF，對于EXB851和EXB841來說，取值為47μF。該電容用來吸收由電源接線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：
1）EXB8..Series的驅動芯片是通過檢測IGBT在導通過程中的飽和壓降Uce來實施對IGBT的過電流保護的。對于IGBT的過電流處理完全由驅動芯片自身完成，對于電機驅動用的三相逆變器實現無跳閘控制有較大的幫助。
2）EXB8..Series的驅動芯片對IGBT過電流保護的處理采用了軟關斷方式，因此主電路的dv/dt比硬關斷時小了許多，這對IGBT的使用較為有利，是值得重視的一個優點。
3）EXB8..Series驅動芯片內集成了功率放大電路，這在一定程度上提高了驅動電路的抗干擾能力。
4）EXB8..Series的驅動芯片最大只能驅動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，該類芯片為單電源供電，IGBT的關斷負電壓信號是由芯片內部產生的－5V信號，容易受到外部的干擾。因此對于300A以上的IGBT或者IGBT并聯時，就需要考慮別的驅動芯片，比如三菱公司的M57962L等。
圖8給出了EXB841驅動IGBT時，過電流情況下的實驗波形。可以看出，正如前面介紹過的，由于EXB8..Series芯片內部具備過流保護功能，當IGBT過流時，采用了軟關斷方式關斷IGBT，所以IGBT中電流是一個較緩的斜坡下降，這樣一來，IGBT關斷時的di/dt明顯減少，這在一定程度上減小了對控制電路的過流保護性能的要求。

2.3M579..Series（MITSUBISHI公司生產）
M579..Series是日本三菱公司為IGBT驅動提供的一種IC系列，表7給出了這種系列的幾種芯片的基本應用特性（其中有＊者為芯片內部含有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構的復雜，驅動信號的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅動信號關斷IGBT時的負電壓，M57962L的負電源是外加的（這點和EXB8..Series不同），所以實現起來比較方便。它的功能框圖和圖6所示的EXB8..Series功能框圖極為類似，在此不再贅述。圖9給出了M57962L在驅動大功率IGBT模塊時的典型電路圖。在這種電路中，NPN和PNP構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驅動大功率IGBT模塊時，應注意以下三個方面的問題：
1）驅動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，對于M57962L來說，Rg的允許值在5Ω左右，這個值對于大功率的IGBT來說高了一些，且當Rg較高時，會引起IGBT的開關上升時間td(on)、下降時間td(off)以及開關損耗的增大，在較高開關頻率（5kHz以上）應用時，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關時間可以被接受，驅動電路的功耗也必須考慮，當開關頻率高到一定程度時（高于14kHz），會引起驅動芯片過熱。
3）驅動電路緩慢的關斷會使大功率IGBT模塊的開關效率降低，這是因為大功率IGBT模塊的柵極寄生電容相對比較大，而驅動電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅動電路緩慢的關斷還會使大功率IGBT模塊需要較大的吸收電容。
以上這三種限制可能會產生嚴重的后果，但通過附加的Booster電路都可以加以克服，如圖9所示。

從圖10（a）可以看出，在IGBT過流信號輸出以后，門極電壓會以一個緩慢的斜率下降。圖10（b）及圖10（c）給出了IGBT短路時的軟關斷過程（集電極－發射極之間的電壓uCE和集電極電流iC的軟關斷波形）。
3結語
隨著電力電子技術的快速發展，三相逆變器的應用變得非常廣泛。近年來，隨著IGBT制造技術的提高，相繼出現了電壓等級越來越高、額定功率越來越大的單管、兩單元IGBT模塊及六單元IGBT模塊，同時性能價格比的提高使得IGBT在三相逆變器的設計中占有很大的比重，成為許多設計人員首選的功率器件。隨之而來的是IGBT的驅動芯片也得到了很大的發展，設計人員、生產廠家都給予了高度重視，小型化、多功能集成化成為人們不斷追求的目標。相信隨著制造技術的發展，將會研制出更多更好的IGBT驅動芯片，并得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]B.K.博斯編，姜建國譯.電力電子學與變頻傳動[M].江蘇徐州:中國礦業大學出版社，1999.
[2]秦賢滿編著.電力半導體器件標準應用指南[M].北京:中國標準出版社，2000.
[3]日本三菱電氣.第三代IGBT和智能功率模塊應用手冊及DATABOOK，1998.