关于地铁列车用IGBT栅极驱动器的研究

商俊雄

摘 要：PWM整流器的研究始于20世纪80年代，这一时期由于自关断器件的日趋成熟及应用，推动了PWM控制技术的应用与研究。[1]随着PWM整流器技术的日趋成熟，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）得到了广泛的应用。如电力行业、地铁行业、高速铁路、矿产行业等。IGBT是一种新型的电力半导体器件，现已成为电力电子领域的新一代主流产品。[2]IGBT具有正常工作时，导通电阻低，器件的电流容量大，耐高压，驱动速度快，驱动功率低，输入阻抗高，输入电容小等特点。大功率IGBT在地铁列车上也有广泛的应用，主要用于地铁列车的辅助逆变器和牵引逆变器，实现地铁车辆三相交流380 V供电和地铁车辆牵引电机的供电。辅助逆变器和牵引逆变器的控制器输出的PWM控制信号，经过IGBT栅极驱动器功率放大后，输出给IGBT的栅极，以控制IGBT的开关动作。

关键词：地铁列车;IGBT;缘栅双极型晶体管;栅极驱动器

中图分类号：TN322.8 文献标识码：A

IGBT栅极驱动器通常分为数字电路栅极驱动器和模拟电路栅极驱动器两种。本文介绍一种模拟电路栅极驱动器。数字电路栅极驱动器的特点在于结构简单，通过集成芯片+外围电路的模式来实现IGBT栅极驱动，并且可以通过软件对驱动器输出的曲线进行调节，例如延时时间、上升斜率、下降斜率等。模拟电路栅极驱动器通过分立元件、比较器、运算放大器等元器件搭建驱动电路，集成度要低于数字电路栅极驱动器，但模拟电路栅极驱动器的优势在于成本低，灵活性高，抗干扰和抗冲击能力强，适用于复杂电磁环境下的大功率IGBT驱动控制，能够根据具体的应用环境进行调整。而数字电路则受限于驱动芯片的性能，则无法进行灵活的调整，主要应用于工频条件下工作的设备。

1 IGBT栅极驱动器原理图

如下图所示本IGBT栅极驱动器为模拟电路栅极驱动器，通过三极管和阻容元件构建成IGBT栅极驱动电路。左侧为输入的PWM控制信号，右侧与受控IGBT的栅极引脚G、E相连接。将PWM控制信号进行功率放大，并对输出信号进行速率调节。使PWM控制信号满足逆变器对IGBT开关速率的要求，进而保障了逆变器的整体工作性能，及稳定性和可靠性。

2 工作原理介绍

本IGBT栅极驱动器主要包括PWM信号接收电路，达林顿电路、一级放大电路，二级放大电路，输出电路。

本IGBT栅极驱动器采用±15 V、+5 V和GND（0 V）电源供电。PWM输入信号为5 V/0 V电平。输出为±15 V IGBT栅极驱动信号。

2.1 PWM信号接收电路

PWM信号接收电路接收5 V/0 V输入的PWM驱动信号，并将驱动信号通过三极管Q4反相，以驱动三极管Q9动作。Q9的输出控制达林顿电路和一级放大电路动作。

通过PWM信号接收电路能够实现低电压小功率信号的接收和采集，经过接收电路的初步处理后，转换为达林顿电路和一级放大电路所需的控制信号。实现对上位机PWM控制信号的接收和调理，信号的电平等级由5 V/0 V，调整为±15 V。调整电路的参数，能夠适配不同上位机输出PWM控制信号，因此该部分电路具有广泛的灵活性和适应性。

2.2 达林顿电路

达林顿电路接收PWM信号接收电路的控制信号，设计达林顿电路的目的在于提高驱动器的反应速度，降低驱动器的信号传输延时。

达林顿电路由三极管Q1和三极管Q3组成。当三极管Q9关闭时，达林顿电路Q1和Q3导通，加速一级放大电路的场效应管Q2关闭，同时使场效应管Q8导通。通过达林顿电路能够将输入的PWM控制信号和输出的驱动信号间的延时降低到50ns以内。因此，本IGBT栅极驱动器能够适应高频率载波的要求，适用于高频IGBT控制。

2.3 一级放大电路

一级放大电路主要由场效应管Q2和场效应管Q8组成。通过一级放大电路，对PWM控制信号进行功率放大。场效应管Q2和场效应管Q8构成推挽电路结构，输出信号为±15 V。

通过一级放大电路，对PWM控制信号进行初步功率放大。使PWM控制信号的功率达到驱动二级放大电路的要求。此外一级放大电路，还能够对IGBT栅极驱动器的输出波形进行初步的速率调节，并且能够分别调节IGBT栅极驱动器输出波形的上升速率和下降速率，因此具有较高的灵活性。

2.4 二级放大电路

二级放大电路主要由功率三极管Q5、Q6、Q7和功率三极管Q10、Q11、Q12组成。通过二级放大电路，对PWM控制信号进行二次功率放大。功率三极管Q5、Q6、Q7和功率三极管Q10、Q11、Q12构成推挽电路结构，输出信号为±15 V。当一级放大电路输出为+15 V时，功率三极管Q5、Q6、Q7导通，驱动器输出+15 V驱动信号。当一级放大电路输出为-15 V时，功率三极管Q5、Q6、Q7导通，驱动器输出-15 V驱动信号。

通过三个功率三极管的并联，进一步增强IGBT栅极驱动器的驱动能力，以满足不同型号IGBT驱动的要求，进一步提高驱动器的适用性。

2.5 输出电路

输出电路主要有限流电阻和二极管组成。开通限流电阻为R4、R5、R16、R20、R21、R24，关断限流电阻为R4、R5、R16、R20、R21、R24、R7、R9、R13。通过二极管D1和D6调整限流电阻的个数，进而调整IGBT栅极驱动器的输出波形的上升速率和下降速率。通过多电阻并联的形式，可以满足驱动不同型号IGBT栅极的功率需求。

当二级放大电路输出+15 V 时，开通限流电阻R4、R5、R16、R20、R21、R24工作，电流流经开通限流电阻后，到达IGBT栅极G E端子，此时IGBT栅极G E端子的电压为+15 V，驱动IGBT开通。当二级放大电路输出-15 V时，开通限流电阻R4、R5、R16、R20、R21、R24、R7、R9、R13工作，电流流经关断限流电阻后，到达IGBT栅极G E端子，此时IGBT栅极G E端子的电压为-15 V，驱动IGBT关断。

3 结束语

随着绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的广泛应用，对于IGBT栅极驱动器的性能也提出了更高的要求。

本文论述IGBT栅极驱动器能够通过对器件参数的调整，实现对驱动器输出波形的调节。既可以调节驱动器信号的延时，也可以调节驱动器输出波形的上升速率和下降速率。本IGBT栅极驱动器能够适应不同的PWM驱动信号电平等级，以及不同型号的IGBT栅极驱动要求，具有巨大的实用价值。

参考文献：

[1]张兴.PWM整流器及其控制[M].机械工业出版社，2012.

[2]张国俊.IGBT发展情况及特点分析[J].微处理机，2003（06）.