光耦驱动ΙGBT电路及应用

2016-08-09广东珠海格力电器股份有限公司

电子制作 2016年14期

关键词：栅极电荷米勒

康燕广东珠海格力电器股份有限公司

光耦驱动ΙGBT电路及应用

康燕广东珠海格力电器股份有限公司

【文章摘要】

【关键词】

光耦；IGBT 驱动；米勒效应

应用于电机调速驱动装置以及电子计算机的不间断电源等设备的ΙGBT（Ιnsulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管），随着今年来人们对节能、装置小型化、轻量化要求的不断提高，而急速地发展起来。具有控制简单、驱动功率低、高输入阻抗、开关状态损耗小、开关速度高、较大的载流能力等优点。除了 ΙGBT 自身的特性参数以外，驱动电路的各项特性对保证 ΙGBT 功率电路高效、稳定、安全的工作都起着至关重要的作用。光耦隔离驱动，此种方法采用光耦传输驱动信号并进行放大，对通断时间宽度无限制，工作速度快、价格便宜，是目前驱动ΙGBT模块广泛应用的一种方式。

1.IGBT驱动电路的基本要求

ΙGBT 的驱动电路是 ΙGBT 与控制电路之间的接口，实现对控制信号的隔离、放大和保护，驱动电路对 ΙGBT 的正常工作及其保护起着非常重要的作用，驱动电路性能的优劣是其可靠工作、正常运行的关键，设计合理的驱动电路应具有如下基本要求。

（1） ΙGBT 处于主电路地位，它的集电极直接接较高的工作电压，而驱动电路工作电压低，因此驱动电路应具有对地电位浮动的直流供电电源。故要求驱动电路具有隔离输入、输出信号的功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很短。

（2）在栅极回路中必须串联合适的电阻RG，用于控制VGE的前后沿陡度，进而控制ΙGBT器件的开关损耗。RG增大，VGE前后沿变缓，ΙGBT开关过程延长，开关损耗增加；RG减小，VGE前后沿变陡，ΙGBT开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。较小的栅极电阻使得ΙGBT开通时的di/dt变大，导致较高的du/dt，增加了续流二极管恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极电阻时要兼顾到这两个方面的问题。

（3）驱动电路应具有过电压保护和 du/ dt 的保护能力。通常用两个极性相反的齐纳稳压二极管串联组成限幅器，确保ΙGBT 基极不被击穿。由于 ΙGBT 的安全工作区域较宽，在一些电路中不设缓冲电路。

（4）当发生短路或过电流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护能力。通常采用检出过电流信号切断ΙGBT 栅极信号来进行保护。

2.光耦驱动IGBT的原理

ΙGBT具有MOS门极结构，在开关时为了对该门极进行充放电，需要门极电流从中流过，图1标示门极充电电荷量的特性。门极充电电荷量特性标示驱动ΙGBT所需要的电荷量，在计算平均驱动电流和驱动功率时使用。光耦驱动电路的原理图和电压电流波形如图2、图3所示。驱动电路的原理是通过开关S1、 S2交替导通正电压电源和负电压电源，开关切换时对门极充电放电的电流即为驱动电流，如图3中以电流波形形式所包含的面积与图1中的充放电电荷量相应。

图1　门极充电电荷量特性（动态输入特性）

图2　光耦驱动ΙGBT电路原理图

图3　电压电流波形

驱动电流的峰值ΙGP可由以下近似公式求出。

+VGE ：正电源电压

-VGE：负电源电压

RG：驱动电路的门极电阻

Rgint：模块内部的门极电阻

从门极充电电荷量特性可知，从0V开始的上升部分的斜率大体上与输入电容Cies等效，而负电压领域可以作为这个部分的延长来考虑。因此，驱动电流的平均值ΙG，如图1所示可利用门极充电电荷量特性作下述计算。

fC：开关频率

Qg：从0V到VGE为止的充电电荷量

Cies：ΙGBT的输入电容

设计时要保证驱动电路的输出段上能流过由这些近似公式计算得出的电流ΙGP和±ΙG。

选择ΙGBT的门极驱动光耦时注意关键参数ΙOH、ΙOL，高输出驱动电流，可确保ΙGBT能迅速导通。综合考虑性价比因素，一般有以下计算：

ΙOH、 ΙOL≧ΙG×1.1

ΙOH：“H”时输出电流峰值

ΙOL：“L”时输出电流峰值

3.光耦驱动IGBT应用

采用光耦驱动电路具有成本低、电路结构简单等优点；但其主要缺点在于驱动分立的ΙGBT模块时光耦驱动米勒效应较为明显。ΙGBT的集电极和栅极之间存在一个寄生电容Cres，该寄生电容称作米勒电容。正是由于该寄生电容的存在，使在ΙGBT在高速开关时即dv/dt较快时，会使变化的电流流过对应的米勒电容，从而使本应是低电平的桥臂出现一个电压尖峰。该尖峰过高且存在于死区之外使可能会引起低电平一侧的ΙGBT导通，从而会使上下桥臂直通而烧坏ΙGBT。