大功率IGBT栅极驱动电路的研究

王瑞

(宝鸡文理学院 物理与信息技术系，陕西 宝鸡 721013)

0 引言

绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor－IGBT)问世，它综合了功率MOSFET和双极晶体管(BJT)的优点:输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低(甚至接近GTR的饱和压降)、耐压高、电流大［1］。在通态压降和开关时间这两个衡量功率半导体器件性能的重要参数方面有了明显的改善。

目前IGBT已在中小功率及以上的电力电子变流系统(如变频器、UPS电源、高频焊机等)中取代了MOSFET及电力晶体管，从而成为功率开关器件市场中的重要一员。然而，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还是依赖于电路条件和开关环境。因此，如何有效地驱动并保护IGBT则是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节［2－3］。特别是IGBT的可靠运行很大程度上依赖于其栅极驱动电路，所以，决定IGBT功率转换性能的重要因素之一就是栅极驱动电路。

1 IGBT内部构造及特性分析

IGBT的基本结构如图1所示。其纵向结构为PNPN型结构，类似于MOS晶闸管，也相当于一个VDMOS与PN结二极管串联;横向结构与VDMOS结构没有区别，电流也是垂直方向流动的。IGBT的等效电路如图2所示，这是一个双极性晶体管与MOSFET模型结构，图1中的电阻R是基区内的调制电阻，图示器件为N沟道IGBT，MOSFET为N沟道型，双极性晶体管为PNP型。IGBT是一种电压型控制器件，其开通和关断是由栅极电压来控制的。当给IGBT的栅极加正向电压并且大于开启电压时，其内部结构中的MOSFET内形成导电沟道，且给PNP晶体管提供基极电流，使PNP晶体管导通，从而使IGBT导通。由于电导调制效应，使得电阻R减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降;反之，加反向栅极电压时消除导电沟道，流过反向基极电流，MOS管夹断，即PNP管基极开路，使IGBT关断［4］。

图1 IGBT的基本结构

IGBT可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。

2 IGBT的栅极驱动电路

图2的IGBT的等效电路是没有考虑栅极电阻及极间电容的。针对栅极驱动电路就应该考虑这些因素，其等效电路如图3所示。

图2 IGBT的等效电路

图3中，Rg是栅极电阻，Vg是栅极电压，Ig是栅极电流，Cgs是IGBT中MOSFET部分门极和源极之间的电容，Cgd是IGBT中MOSFET部分门极和漏极之间的电容，Cds是 IGBT 中 MOSFET部分漏极和源极之间的电容。

图3 IGBT的等效电路(带有栅极电阻及极间电容)

驱动使其正常工作就是IGBT驱动电路的作用，它同时还有保护IGBT的作用。对于整个系统来说，IGBT驱动器是至关重要的，系统可靠与否主要是看驱动器选择的好坏，若选择的IGBT驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致IGBT器件和驱动器损坏。IGBT的特性、工作环境及条件都影响着IGBT栅极驱动。IGBT所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能模块相接而不须加任何附加接口电路。在IGBT驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。影响IGBT导通和截止两个状态的主要因素有栅极电阻、栅极电压(包括开通电压和关断电压)及栅极电容等［5］。

2.1 栅极电阻R G

IGBT的栅极电阻对IGBT的开关时间、开关损耗、d v/dt(电压变化率)、d i/dt(电流变化率)、RBSOA(反偏安全区)、SCSOA(短路安全区)、EMI(电磁干扰)、继流二极管的开关特性等等都有影响。栅极电阻RG由可以通过限制导通与关断期间栅极电流脉冲的幅值需要多长时间来决定。对于栅极电阻的估算可以通过以下式子进行。

栅极峰值电流:

最小栅极电阻:

其中RG是栅极电阻，VG(on)是导通栅极电阻，VG(off)是关断栅极电阻，RG(int)是IGBT模块内部栅极电阻。

一般情况下，对于额定电流大的IGBT应选择较小的栅极电阻。反之，应选择较大的栅极电阻。当然，在实际应用中，应该尽量避免栅极电阻可能由于电阻的峰值功率能力不够而发生过热或烧毁现象。

2.2 栅极电压VGE

IGBT正栅射极电压越大，则IGBT导通电阻越低，IGBT损耗越小。如果VGE太小，那么IGBT的工作点在线性放大区内，IGBT会因过热而损坏。如果VGE太大，则IGBT会出现过电流，这样往往会使IGBT失效损坏。因此，IGBT驱动电压范围一般为12 V.

IGBT关断时，由于IGBT会承受很大的d v/dt且其在关断浪涌电流的冲击下它的栅极可能会引发误开通。考虑到这一点，通常会采用负栅射极电压VGE，这样就会提高IGBT关断时的抗干扰能力。负栅射极电压VGE一般为－10 V。

由于IGBT的栅极与射极之间是通过一层氧化膜来进行电气隔离的，而且此氧化膜很薄，所以其击穿电压比较低，一般只能达20～30 V。栅极击穿一般就会导致IBGT失效，因此在实际应用中，应尽量保证IGBT的栅极驱动电压不超过栅极最大额定电压。

2.3 栅极电容C GS

IGBT的栅极和源极之间为绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过。因此低频静态驱动功率接近于零。IGBT栅源极之间其实构成了一个栅极电容CGS。因此，在高频率开通与关断时需要一定的动态驱动功率，所以设计驱动电路时，需要有一条低阻抗的放电回路。

在设计IGBT栅极驱动电路的过程中还应充分考虑负载短路能力、开通特性、d v/dt可能引起的误触发等，所以设计的IGBT的栅极驱动电路最好能自身带有对IGBT器件的保护功能，来增强抗干扰能力;栅极连线尽可能使用绞线来传送信号，这样就会减小寄生电感;若在高压电力电子设备中，IGBT驱动电路与设备控制电路在点位上要严格进行隔离。

图4 IGBT电流估算图

在使用时，因IGBT属于高速开关，当其关断时，会出现急剧变化的电流，在其感生电感上产生高压;存在的电极电容，也会引发高电压;还有应用电路的异常仍会引发高电压;FWD反向恢复时也会产生高电压等，这些过电压现象都要进行抑制，通常采用的动态栅极控制、有源钳位、无源缓冲电路等方法进行过电压抑制。

2.4 驱动功率、栅极电流的估算

IGBT驱动器的驱动功率为:

其中，Fsw是开关频率，QG是栅极充电电量。

如图4所示，平均栅极电流IG=IGC+IGC=QGfSW

同时，注意IGBT驱动器提供的栅极电流与驱动器功率应该比估算的最大平均输出电流要大，才能够满足实际应用。并且还要考虑实际中的峰值问题。

3 实用的栅极驱动电路

IGBT的驱动与晶体管的驱动是完全不一样的:晶体管是电流控制器件，需要合适的电流信号来驱动;而IGBT是电压控制器件，需要一定的电压信号来驱动。IGBT驱动电路可以分为驱动信号与功率器件不需要电气隔离的直接驱动，以及驱动器输入端与输出端需要电气隔离的隔离驱动。隔离驱动可以分为光耦合器隔离驱动与变压器隔离驱动两种［6］。对于应用在高压场合的大功率IGBT电路来说，这就要求控制电路和IGBT主电路保持隔离。光耦隔离方式由于隔离电压相当低，而且还存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题。而采用脉冲变压器隔离方式可以得到相对较高的隔离电压，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高开关频率，因此在高压大功率IGBT驱动器中多采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路。

图5 脉冲变压器隔离的栅极驱动电路

图5是IGBT的脉冲变压器隔离栅极驱动电路。脉冲源V将脉冲信号经晶体管V1放大后送到脉冲变压器TX1原边，由脉冲变压器耦合，并经D3、D4后来驱动IGBT.当脉冲源信号为高电平开通信号时，V1导通，变压器原边持续传输15 V开通信号;当脉冲源信号为低电平关断信号时，V1关断，变压器原边感应出反向电压，并通过D1短暂继流后，变压器原边电压保持0 V。其中R3用于限制栅极驱动电流;D1继流二极管，用于防止V1中可能出现的过电压;D2作为加速二极管，来提高开关速度;D3、D4起到稳压限幅作用。

实际应用中，瑞士CONCEPT公司的2/6SD系列、美国Unitrode公司UC3726/3727芯片对和德国SEMIKRON公司的SKHI2系列等都属于变压器隔离式驱动器。下面以美国Unitrode公司UC3726/3727芯片对为例，来讨论变压器隔离驱动的实际应用。图6所示UC3726/3727驱动IGBT典型应用电路。

图6 UC3726/3727驱动IGBT典型应用电路

UC3726/3727两芯片可组合使用，UC3726可以很方便地和数字电路接口;UC3727可单独使用，其有单独使用的使能端，同时UC3727还具有高电流、速度快、可设定的软启动、欠压封锁及过流、过热保护等功能，它的外围电路简单，特别适合高压的高端驱动，所以说是一种经济实用的IGBT驱动。

4 结束语

文中所述的IGBT栅极驱动电路的影响因素在实践中很有应用价值，使用时可根据器件容量或功能要求来确定其影响因素的具体值。高压场合的大功率IGBT电路采用的脉冲变压器隔离驱动可以得到相对较高的隔离电压，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高开关频率，其相应的UC3726/3727是一种经济实用的IGBT驱动。

［1］ 蒋超，陈海民.电力电子器件概况及应用现状［J］.世界电子元器件，2004，10(4):74 －76.

［2］ 李宏.MOSFET、IGBT驱动集成电路及应用［M］.北京:科学出版社，2013:184－190.

［3］ 和巍巍，汪之涵，傅俊寅，等.基于2QD15A17K－C驱动模块的IGBT驱动保护电路设计［J］.电力电子，2012，10(5):31－34.

［4］ 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率损耗的仿真研究［D］.西安:西安科技大学电控学院，2007.

［5］ 阳鸿钧，许小菊.最新常用IGBT速查［M］.北京:机械工业出版社，2010:25－26.

［6］ 郭喜峰，王大志，刘震，等.有源滤波器IGBT驱动模块应用与性能分析［J］.电力电子技术，2012，46(9):85－87.