高性能IGBT驱动电路的设计

冯志翔 谢家昊

（东南大学，江苏 南京211189）

0 引言

绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种电压控制、全控型的复合器件。和其他电力电子器件相同，其使用依赖于相匹配的驱动电路。本文从电动汽车用电机驱动系统的要求出发，针对当前一些驱动电路存在的不足之处，设计了一种具备过流、过压和欠压保护功能的驱动电路，并进行了实际测试。同时，在电路设计过程中，笔者用PSpice软件进行了仿真辅助设计，取得了良好的效果。

1 IGBT驱动电路的要求

（1）合适的正反向电压。在IGBT关断时，由于电路其他部分的影响，有可能使IGBT误导通，发生故障，而反向偏压可以保证IGBT可靠关断。同时用PSpice进行仿真时发现，反向偏压对IGBT开关速度有明显的影响，这点在设计时需要注意。

（2）合适的栅极电阻。栅极电阻主要有两个作用，一是可以对由于线路电感和寄生电容产生的振荡起阻尼作用，二是可以调节开关速度。在用PSpice进行仿真过程中发现，随着栅极电阻的增大，开关速度会下降。

（3）具有栅极电压限幅电路。为了防止栅极电压过高而导致元件被击穿，驱动电路中还应当设计有栅极电压限幅电路。一般采用稳压二极管即可满足要求。

2 具体驱动电路的设计

2．1 集成驱动模块的选择

经过比较不同集成驱动模块，最终选择日本三菱公司生产的厚膜式IGBT驱动保护模块M57962L。它由光电耦合电路、接口电路、保护电路（短路检测、复位及栅极关断）和驱动级4部分组成。实验中驱动IGBT型号为ff300r12kt3，母线电压540V。

电路原理图如图1所示。

图1 电路原理图

电路具体参数主要涉及以下几个方面的问题：

（1）对集电极额定电流300A的IGBT来说，VCC选择＋12～＋15V比较合适，在这一点通态接近饱和值，是IGBT工作的最佳点。而为使IGBT在关断期间可靠截止，给处于截止状态的IGBT外加－10V左右的反向栅压VEE比较合适。同时用PSpice进行仿真时发现，反向偏压对IGBT开关速度有明显影响，这点在设计时需要注意。本电路中VCC＝＋14V，VEE＝－10V。

（2）在栅极通过稳压二极管将栅极正向电压控制在18V以内，反向电压控制在－10V以内，从而保证了IGBT工作在安全区内，同时确保IGBT栅极不被击穿。

（3）电路在刚开始工作时就已经通电，但由于IGBT还没开始工作，G极电荷无法释放，有可能引起元件击穿，因此需要在G、E极之间接一电阻作为电荷的释放通道，我们选择了10kΩ电阻。

2．2 栅极驱动电阻的选择

栅极驱动电阻的取值非常重要，适当数值的栅极电阻能有效地抑制振荡、减短开关开通时间、改善电流上冲波形、减小电压浪涌。我们通过仿真和实验相结合的方法确定了较优的栅极电阻。

首先，使用PSpice进行了仿真测试，定性地确定栅极电阻的大致数值。

从仿真结果（图2～图4）可以看出，在没有栅极电阻时，驱动波形振荡严重，无法正常工作。加一很小的栅极电阻后，便可以很好地抑制振荡。但随着栅极电阻增大，开关速度下降，当栅极电阻增加到75Ω时，驱动脉冲上升和下降时间都已经在10μs以上，不能满足快速性要求。根据仿真结果，栅极电阻为5Ω时驱动脉冲已经没有振荡，同时上升和下降时间短，因此选择5Ω是合适的。

接下来，我们通过实验测定最佳的栅极电阻值。栅极电阻值为5Ω时驱动器输出波形的变化如图5所示。

可以看出，实际调试结果跟仿真结果基本一致，最终栅极电阻选择5Ω。

3 驱动电路的保护措施

电动汽车用电机驱动系统中，常见故障有过流，母线过压、欠压等，这些故障将严重影响电动汽车的安全、高效运行，因此有必要专门采取保护措施。

3．1 过流保护

图 2 RG=0Ω

图 3 RG=5Ω

图 4 RG=75Ω

图5 驱动器输出波形变化图

当IGBT流过的电流大于本身最大允许值时，会发生过热甚至烧毁等严重故障，因此，过流保护电路的作用十分重要。我们利用M57962L内部具有的过流短路保护功能，当IGBT发生过流时，其集电极电压升高，二极管D1截止，M57962L即可输出故障信号。值得注意的是，IGBT正常工作时通态电压一般为2．5～3．0V。而M57962L的过流检测端的阈值电压UCS设计为10V。如此高的阈值电压使电流保护功能很难起效，因此必须采取措施降低过流保护阈值，方法是在如图1脚检测端串联一稳压管Z1。在本项目研究中，设定的管压保护值为1．8V，对应的保护电流值为300A，所以采用的稳压管Z1压降为VZ1＝U1－VCE－VD1＝7．5V。

过流时驱动电路输出的脉冲也发生变化，此时，输出波形在低电平基础上出现周期性的细长尖波。其作用为，输出低电平可使IGBT截止，而短暂的尖峰可尝试性导通IGBT，若仍检测到过流则恢复为低电平，一个周期后再尝试导通，直至过流故障解除才恢复正常的驱动功能。

3．2 过压、欠压保护

直流母线电压也是影响IGBT工作状态的主要因素。当直流母线实际电压高于电压限值，易导致母线电容或IGBT击穿；当实际电压低于电压限值，易造成电机实际输出功率降低，电流增大。因此，本项目设计了相应的欠压、过压检测电路。

图6所示电路为直流母线的过压、欠压检测部分，主要利用电压比较器LM339通过电压比较来实现过压、欠压检测。图中R1和R2分别为采样电阻，Power和PGND端接待测直流母线，经采样电阻分压后接入比较器。之后在比较器上将采样值与欠压阈值Vref－、过压阈值Vref＋进行比较，若U0小于欠压阈值或大于过压阈值，LM339将输出低电平，使光偶内二极管不导通，Out端输出低电平。我们便可由此判定母线电压是否在允许范围内。

图6 欠压、过压保护电路

4 结语

本文提出一种基于M57962L的高性能驱动电路，具备过流、过压和欠压保护功能，使电机驱动系统安全可靠；且通过仿真和实验相结合的方法，选择了最优栅极电阻，使电机驱动系统能更加高性能地工作。

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