IGBT的驱动保护电路

于德江 王端 杨帆

【摘要】本文介绍了IGBT门极驱动保护电路的分类，分析了IGBT驱动保护电路的发展趋势，对常用IGBT驱动器如光耦隔离型、变压器隔离型等典型电路进行了分析，并将市场上常用厂家生产的IGBT驱动器工作参数和性能进行了比较，结合对工程实践中IGBT故障的分析，讨论了选用IGBT驱动器时的参考原则。

【关键词】IGBT;驱动;保护

ABSTRACT：This article describes the IGBT gate drive circuit protection classification，analysis of the trends of the IGBT driver protection circuit，common IGBT drive optocoupler isolated，transformer isolated typical circuit analysis，and common market manufacturers. IGBT drive operating parameters and compares the performance analysis on the the IGBT fault in the engineering practice to discuss the principle of selection of IGBT driver reference.

KEY WORDS：IGBT;drive;protection

绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor简称IGBT）是復合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好驱动电路简单、通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此现今应用相当广泛。但是IGBT 良好特性的发挥往往因其栅极驱动电路设计上的不合理，制约着IGBT的推广及应用。因此本文分析了IGBT对其栅极驱动电路的要求，设计一种可靠，稳定的IGBT驱动电路[1]。

1.IGBT驱动电路特性及可靠性分析

IGBT的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性。门极电路的正偏压、负偏压和门极电阻的大小，对IGBT的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及电流等参数有不同程度的影响。其中门极正电压的变化对IGBT的开通特性，负载短路能力和电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时，门极电路设计中也必须注意开通特性，负载短路能力和由电流引起的误触发等问题[2-3]。

根据上述分析，对IGBT驱动电路提出以下要求和条件：

（1）由于是容性输出输出阻抗;因此IBGT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。

（2）用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门及控制电压有足够陡峭的前、后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率，使IGBT 不至退出饱和而损坏。

（3）门极电路中的正偏压应为+12～+15V;负偏压应为-2V～-10V。

（4）IGBT驱动电路中的电阻对工作性能有较大的影响，较大，有利于抑制IGBT 的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT 的开关时间和开关损耗;较小，会引起电流上升率增大，使IGBT 误导通或损坏。的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT 其值较大。

（5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT 的自保护功能。IGBT 的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，IGBT的 G～E 极之间不能为开路。

2.IGBT驱动电路分类

根据IGBT的静态特性、开关暂态特性并考虑其允许的安全工作区，IGBT工作时门极驱动保护电路应满足如下基本要求：提供足够的栅极电压来开通IGBT，并在开通期间保持这个电压;在最初开通阶段，提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度;在关断期间，提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗;在IGBT功率电路和控制电路之间提供电气隔离，对IGBT逆变器，一般要求的电气隔离为2500V以上;在短路故障发生时，驱动电路能通过合理的栅极电压动作进行IGBT保护，并发出故障信号到控制系统。

2.1 直接驱动电路

如图1所示，为了使IGBT稳定工作，一般要求双电源供电方式，即驱动电路要求采用正、负偏压的两电源方式，输入信号经整形器整形后进入放大级，放大级采用有源负载方式以提供足够的门极电流。为消除可能出现的振荡现象，IGBT 的栅射极间接入了RC网络组成的阻尼滤波器。此种驱动电路适用于小容量的IGBT。

图1 IGBT直接驱动电路

2.2 光电隔离驱动电路

光耦隔离驱动电路如图2所示。由于IGBT是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由控制器输出的方波信号加在三极管的基极，驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路，经放大后驱动由T1、T2组成的对管。对管的输出经电阻R驱动IGBT。

图2 IGBT直接驱动电路

2.3 变压器隔离驱动电路

图3是IGBT的变压器隔离驱动电路。图中的辅助MOS管是N沟道增强型MOS管，其漏极为D、原极为S、栅极为G。P端有正信号输入时，变压器的二次侧电压VGS经二极管D1向IGBT提供开通电压并给门极/源极结电容C充电，这时辅助MOS管受反偏（S点为正，G点为负）而阻断，阻断了IGBT门极结电容C经MOS管放电。当P端有负信号输入，脉冲变压器二次侧VGS>0，辅助MOS管导通，D、S两点导通，抽出IGBT门极结电容C的电荷，使其关断。

图3 IGBT直接驱动电路

2.4 驱动模块构成的驱动电路

应用成品驱动模块电路来驱动IGBT，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，惠普的HCPL316J、3120等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动IGBT可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。下面以三菱的驱动模块M57962L为例，说明此类电路的工作原理。

M57962L是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路。M57962L内部集成了退饱和、检测和保护单元，当发生过电流时能快速响应，但慢关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。它输出正驱动电压+15V，负驱动电压-10V。内部结构如图4所示，由光耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及门关断电路组成。M57962L是N沟道大功率IGBT模块的驱动电路，能驱动600V/400A和1200V/400A的IGBT。M57962L具有如下特点：

（1）采用快速型光耦合器实现电气隔离，适合20kHz的高频开关运行。光耦合器一次侧已串联限流电阻（约185Ω），可将5V的电压直接加到输入端，具有较高输入、输出隔离度（Uiso=2 500V，有效值）。

（2）采用双电源供电方式，以确保 IGBT 可靠通断。如果采用双电源驱动技术，其输出负栅极电压比较高。电源电压的极限值为+18V/-15V，般取+15V/-10V。

（3）内部集成了短路和过电流保护电路。M57962L的过电流保护电路通过检测 IGBT 的饱和压降来判断是否过电流，一旦过电流，M57962L 将对 IGBT实施软关断，并输出过电流故障信号。

（4）输入端为TTL门电平，适于单片机控制。信号传输延迟时间短，低电平转换为高电平的传输延迟时间以及高电平转换为低电平的传输时间都在1.5μs以下。

图4 触发电路总体框图

采用M57962L驱动IGBT模块的实际应用电路如图5所示。供电电源采用双电源供电方式，正电压+15V，负电压-10V。当IGBT模块过载（过电压、过电流），集电极电压上升至15V以上时，隔离二极管VD1截止，模块M57962L的1脚为15V高电平，则将5脚置为低电平，使IGBT截止，同时将8脚置为低電平，使光耦合器工作，进而使得驱动信号停止;稳压二极管VS1用于防止VD1击穿而损坏M57962L;R1为限流电阻。VS2、VS3组成限幅器，以确保IGBT的基极不被击穿。

图5 触发形成电路

3.结论

通过对IGBT门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍，使大家对IGBT 的应用有一定的了解。可作为设计IGBT驱动电路的参考。

参考文献

[1]郭帆，等.晶闸管强触发电路设计[J].核电子学与探测技术，2012：32（6）：698-699.

[2]黄连生，等.光纤通讯技术在晶闸管触发系统中的应用[J].电力电子技术，2007，41（11）：43-45.

[3]样艳，等.三重抗干扰晶闸管触发隔离输出电路[J].南开大学学报（自然科学版）2008，41（1）：10-13.