大功率IGBT驱动电路的设计与实现

孙伟

（罗克韦尔自动化控制集成（上海）有限公司 上海市 201201）

IGBT 也称为绝缘栅双极晶体管, 集场效应管和电力晶体管的优点于一身, 既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点, 又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，产品的用途越来越广泛，驱动方法也是各式各样，可靠的驱动方法尤其重要。由于IGBT 的广泛使用，其产品也越来越多小到几安培，大到几千安培都有。而且厂家也多，除了国际大厂，越来越多的国产厂商也在开发IGBT 或者IGBT 模块。

在工业领域，IGBT 主要用做变频器里面的开关器件，而IGBT又是现场损坏最为严重的器件之一，对于大功率的变频产品尤其如此。对与变频器应用来说，核心是驱动电路。驱动电路就是把中央控制器发来的命令，转变成IGBT 开关的信号。因此，驱动电路设计的好坏直接决定整个设备的稳定性、可靠性和使用寿命。又因为IGBT 种类繁多，驱动电路也是各式各样，这也增加了IGBT 驱动电路设计的复杂度。

1 IGBT驱动的研究与分析

对于IGBT 的驱动电路，如果仅仅是对一个IGBT 的驱动，那么其驱动电路很简单，只需根据IGBT 的特性，提供一个门极驱动电压就行，通常为15V。而对于变频器而言，通常是个全桥的逆变，那么每一个桥臂有两个IGBT，对于下桥臂而言，其驱动电路设计相对简单，但是对于上桥臂，栅极驱动电压必须是相对上下桥臂中间的点，而不是地，因此实现起来就需要有不同的策略，这也是变频器驱动电路的难点所在。

小功率的变频器驱动电路，在不采用负偏压的时候，通常可以用自举电路实现，这种方法成本低，在电路上也易于实现。可以直接用光耦进行电路的驱动，同时此光耦还实现了对驱动电路的开关信号的隔离。IGBT 驱动电路的供电电源可以几路共享一个，相与相之间只需要用二极管进行简单的隔离就可以。图1 给出了一种自举类型的小功率IGBT 驱动电路的示意图，不需要负偏压，只需要通过光耦隔离，实现对IGBT 的驱动。

对于电路中的下桥臂IGBT 驱动，就类似单个IGBT 驱动，而对于上桥臂的IGBT，就要通过电容C1 的自举提供上管栅极驱动电压。驱动信号下正上负的时候，上桥臂Q1 截止，下桥臂Q2 导通，16VDC 除了用于给Q2 的栅极提供驱动电源，还通过D1，R1给C1 的两端充电，充电电压为16VDC - VCE_Q2，通常接近15V。当驱动信号为上正下负的时候，上桥臂Q1 导通，下桥臂Q2 截止，这时候Q1 栅极电压就是电容C1 两端的电压，也就刚才Q2 导通的时候，给电容充电充到接近15V 的电压，也就是自举电压，C1 类似于一个小电源通过U1 的8 脚、7 脚给Q1 的栅极提供开通所需要的能量，这样Q1 就能正常开通，而且在Q1 的发射极电压升高以后，栅极和发射极始终存在着电容C1 两端的电压差，选择合适的容量的电容就可以在开通状态时提供足够的能量。二极管D1 是为了隔离C1 和16V 电源，从而实现电位的自举，这样在下管关闭以后，使得上管的栅极电压相对发射极同样能达到15V 左右，如果没有二极管D1，那么U1 的8 脚就会被限制在16V 了，不能随发射极变化，Q1 就无法开通。电阻R1 是为了限制电容的充电电流过大而烧坏二极管。

图1：小功率IGBT 驱动电路

图2：大功率IGBT 驱动框图

这种自举电路的上桥臂靠电容储能提供驱动能量，驱动能力有限，其主要优点是减少了隔离驱动电源的路数，使结构更加紧凑，更先进一点的驱动电路通常是使用负偏压，是为了更快的关断IGBT。对于小功率电路来说有很多的类似的光耦可以用来实现对IGBT 的驱动，但是对于大功率的变频器就无法工作，因为大功率变频器中的IGBT 需要的大驱动电流是光耦不能满足的，因此必须对光耦输出的驱动电流进行放大。

2 大功率IGBT驱动电路的设计

对于中大功率的IGBT，由于其内部是多个小IGBT 器件的并联，对驱动能力的要求也随之增加，仅仅一个光耦的驱动能力不足以驱动大功率IGBT。因此大功率IGBT的驱动通常需要更多的能量，而隔离光耦的驱动能力通常只有2A 左右，因此不再适合直接驱动大功率IGBT。同时为了快速的关断大功率IGBT，还需要提供负偏压。基于此对于大功率的IGBT 驱动电路而言，除了对信号隔离，通常还需要一个隔离电源，而且还需要提供负偏压，加速IGBT 的关断。

由于三相变频器的电路是平行的设计，因此电路的设计方案以其中的一相为例画出了其设计框图，如图2。

由图2 中可以看出，一相中包含有两个IGBT，称为上桥臂IGBT 和下桥臂的IGBT。电源模块是一个反激式开关电源，至少有6 路隔离输出，每一路输出为25V，用于给三相IGBT 中的驱动电路供电，这样IGBT 的上下桥臂就完全隔离开了，上桥臂不需要自举电路，也能正常驱动。由于电源分开了，上、下桥臂驱动电路就完全一样。每一路包含一个光耦，用于隔离控制器和IGBT；信号放大电路给大功率IGBT 提供更大的驱动电流，让其安全的开通和关断。处理器发出的驱动信号是SPWM 信号，通过两个IO 口来实现对上下两个桥臂IGBT 的控制。当SPWM 输出信号上面是高电平，下面是低电平的时候，电流从上桥臂的光电二极管流过，上面光耦导通，此时下桥臂的输入电平的方向与上桥臂相反，因此下桥臂光耦不能导通。同理，当SPWM 输出信号上面是低电平，下面是高电平的时候，那么此时就是下桥臂光耦导通，上桥臂光耦截止。

这种设计方法实现了信号互锁功能。在变频器中，上下桥臂的IGBT 不能同时导通，否则将会导致母线短路，直接烧坏IGBT，通过信号互锁的功能，SPWM 的信号只有一高一低的时候才能让其中一个IGBT 导通；SPWM 同时为高电平或者同时为低电平IGBT 是不会导通的，同时抑制了共模干扰，防止误触发，实现了对IGBT的保护。

隔离器件采用的是光耦HCNW3120，对于小型的IGBT 可以直接驱动，其驱动电流为2A。输入IF 电流阀值2.5mA，平均正向导通电流可达25mA，电源电压最高可达35V，输出电流±2A，隔离电压1414V，可直接驱动高达100A/1200V 的IGBT 模块，但是对于大功率的IGBT 因为输出电流小不适合单独使用。

由于处理器不能提供大的驱动电流，设计的时候使用了线性驱动芯片74AC541，以提高其驱动能力，其输出可达到20mA，把处理器发出的信号进行线性驱动芯片放大。用它来驱动光耦芯片HCNW3120，相比离散晶体管驱动可以简化设计，提高传输性能。

3 大功率IGBT驱动电路的实现

本设计是以光耦HCNW3120 作为主控制信号和IGBT 的驱动信号之间的隔离器件，利用三极管和MOS 管以及电阻电容等离散器件设计驱动信号放大部分的电路，满足大功率IGBT 对栅极驱动电流的需求。本IGBT 的驱动电路于采用隔离电源分别给各个桥臂供电，所有的IGBT 的驱动电路都是相互独立而电路一样，这也简化了设计。图3 给出了其中任意一相的上、下桥臂控制信号隔离后详细设计电路。

分析这个电路，只需要看其中一个桥臂的电路就可以，由于驱动电源是隔离的，无需自举也能提供栅极压差，这里以上桥臂为例对这个电路进行分析。光耦只是提供SPWM 的隔离驱动开关信号，电容C2 作为光耦的滤波器，电容C1 为其储能滤波电容，当光耦U1 的7 脚输出高电平的时候，Q2 截止，Q4 导通，因此Q5 截止，Q1 导通，这样上桥电源通过Q1 和栅极开通电阻R2 加到了IGBT的栅极上，IGBT 迅速开通。反过来，当光耦U1 的7 脚输出为低电平的时候，Q2 导通，Q4 关闭，因此Q1 不通而Q5 导通。IGBT的关闭回路就由栅极，经过栅极关断电阻R10 和三极管Q5 返回，IGBT 快速关断。为了快速关断，通过D1，R5，R12 和C6 实现栅极负偏压， C6 正极连接在IGBT 的发射极，在关断的时候相当于把IGBT 栅极接到了负偏电压，实际上电源只有一个，简化了电源设计，只需要一个电源就够了。

二极管D2 和D4 为肖特基二极管，其作用是让三极管Q4 和Q7 工作在饱和状态，以提高三极管的开关速度。瞬态抑制二极管D5 是防止栅极出现电压尖峰的保护二极管。

栅极和发射极间的电容C4、C5 和R9 是用来控制开关速度，通过降低di/dt 来减小开关损耗，同时还可以防止IGBT 的米勒效应的。 C4 和C5 用来分担米勒电容产生的栅极充电电流，因为此时驱动回路的总输入电容变成了Cies、C4 和C5 并联值，在这种情况，给栅极充电达到IGBT 开通的电压阈值就需要更多的电荷，米勒电容不能提供如此高的能量，那就保护了IGBT。当然增加电容C4和C5 会导致驱动电源功耗增加，在相同的门极驱动电阻下，IGBT的开关损耗也会相应地增加，因此要根据手册和实验选择合适的电容值。电阻R9 是给栅极和发射极之间提供一个等电位，作用是防止IGBT 栅极电荷积累，防止在未接驱动引线的情况下，偶然加主电高压，通过米勒电容烧毁IGBT。

对于大功率IGBT 而言，通常采用独立的栅极开通和关断电阻，门极开通电阻减小RGon影响IGBT 导通期间的门极充电电压和电流；增大这个电阻将减小门极充电的电压和电流，但会增加开通损耗。减小RGon，IGBT 的栅极电容充电快，开关时间短，开关损耗小，但RG较小时使得IGBT 开通时di/dt 变大，从而引起较高的du/dt，即电流冲击，增加续流二极管恢复时的浪涌电压，通常IGBT 的器件数据手册里面给出了开通电阻的大小。栅极关断电阻取值为开通电阻的3 倍左右，目的就在于有效地抑制IGBT 关断时产生过压尖峰，尖峰大于开通波形，可能会损坏器件。取值过大会增大IGBT的损耗，使得发热量增大。较小的RGOFF同样也能减少IGBT 的关断损耗，有效抑制寄生米勒电容引起的导通，但是在关断期间由于杂散电感会产生很高的过压尖峰和栅极震荡。因此开通电阻和关断电阻的选择要做一个较好的平衡。

4 驱动电路的实验结果

图3：IGBT 驱动电路

这里以600A 的大功率IGBT 模块FF600R12IP4 为例，验证本文设计的驱动电路。栅极电阻的选择如下式，这需要参考数据手册Datasheet（DS）。

查询器件手册中给出的栅极电阻为1.8 欧姆，栅极驱动电阻为RGext_DS为2.2ohm，驱动电压VGE_DS = ±15V。本设计中电源的栅极压差也就是驱动电源电压为25V，代入上式可以求出驱动电阻RGext大约为1.5 欧姆。栅极关断电阻选择为4.7 欧姆。栅极和发射极间并了80nF 的电容用于控制开关速度。又因为栅极驱动功率公式为：

其中F 为驱动基频频率，变频器中通常最高为4KHz， 驱动电压和负偏压的差值为25V，也就是驱动供电电源的输出电压，栅极电荷从IGBT 器件手册中可以查得为4.4uC。带入上式可以求得栅极驱动功率为0.44W。

驱动电阻的功率通常选为驱动功率的2 倍，故选择1W 的电阻。同时也可以算出IGBT 的驱动峰值驱动电流为：

可以求得峰值驱动电流为7.58A，在设计驱动电源的时候，要满足这个条件，确保其有足够大的瞬时输出电流提供到IGBT 栅极。

选定上述参数以后，设计电路装好机器运行以后，实验测得的波形如图4 所示。根据此图可以看出，驱动信号平滑，很好的实现了对IGBT 的驱动功能。

5 结论

图4：实验波形

本文通过驱动一个600A 的IGBT 作为例子，验证结果表明了此电路的完全可以用于大功率IGBT 的驱动，同时也可以在不更换元器件的情况下驱动900A 的IGBT。此大功率IGBT 驱动电路有非常好的通用性，简单易用，只需要通过更换不同的栅极开通和关断电阻及栅极电容就能驱动不同功率的IGBT。因此可以广泛用于各个行业的IGBT 驱动设计中，同时简化一下，去掉信号放大部分，就能支持中小功率IGBT 驱动，大大缩短了开发时间。由于设计的统一性，不同功率段变频器使用相似的驱动电路架构，则产品的可靠性也会随之提高。