igbt驅動電路

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型電晶體，是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

基本介紹

• 中文名：igbt驅動電路
• 優點：高輸入阻抗,低導通壓降
• 適用直流電壓：600V及以上的變流
• 驅動器總功率：P = PG + PS（驅動器的功耗）

簡介

IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合套用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

圖1所示為一個N 溝道增強型絕緣柵雙極電晶體結構， N+ 區稱為源區，附於其上的電極稱為源極。N+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附於其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區（包括P+ 和P 一區）（溝道在該區域形成），稱為亞溝道區（ Subchannel region ）。而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極電晶體，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調製，以降低器件的通態電壓。附於漏注入區上的電極稱為漏極。

IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 電晶體提供基極電流，使IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成後，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對N 一層進行電導調製，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。

概括

IGBT驅動電路是驅動IGBT模組以能讓其正常工作，並同時對其進行保護的電路。

種類

絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)在今天的電力電子領域中已經得到廣泛的套用，在實際使用中除IGBT自身外，IGBT 驅動器的作用對整個換流系統來說同樣至關重要。驅動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統的可靠性。驅動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導致 IGBT 和驅動器損壞。以下總結了一些關於IGBT驅動器輸出性能的計算方法以供選型時參考。

IGBT 的開關特性主要取決於IGBT的門極電荷及內部和外部的電阻。圖1是IGBT 門極電容分布示意圖，其中CGE 是柵極-發射極電容、CCE 是集電極-發射極電容、CGC 是柵極-集電極電容或稱米勒電容（Miller Capacitor）。門極輸入電容Cies 由CGE 和CGC 來表示，它是計算IGBT 驅動器電路所需輸出功率的關鍵參數。該電容幾乎不受溫度影響，但與IGBT集電極-發射極電壓VCE 的電壓有密切聯繫。在IGBT數據手冊中給出的電容Cies 的值，在實際電路套用中不是一個特別有用的參數，因為它是通過電橋測得的，在測量電路中，加在集電極上C 的電壓一般只有25V(有些廠家為10V)，在這種測量條件下，所測得的結電容要比VCE=600V 時要大一些(如圖2)。由於門極的測量電壓太低(VGE=0V )而不是門極的門檻電壓，在實際開關中存在的米勒效應（Miller 效應）在測量中也沒有被包括在內，在實際使用中的門極電容Cin值要比IGBT 數據手冊中給出的電容Cies 值大很多。因此，在IGBT數據手冊中給出的電容Cies值在實際套用中僅僅只能作為一個參考值使用。

確定IGBT 的門極電荷

對於設計一個驅動器來說，最重要的參數是門極電荷QG(門極電壓差時的IGBT 門極總電荷)，如果在IGBT 數據手冊中能夠找到這個參數，那么我們就可以運用公式計算出：門極驅動能量 E = QG · UGE = QG · [ VG(on) - VG(off) ]

圖一

門極驅動功率 PG = E · fSW = QG · [ VG(on) - VG(off) ] · fSW

驅動器總功率 P = PG + PS（驅動器的功耗）

平均輸出電流 IoutAV = PG / ΔUGE = QG · fSW

最高開關頻率 fSW max. = IoutAV(mA) / QG(μC)

峰值電流IG MAX = ΔUGE / RG min = [ VG(on) - VG(off) ] / RG min

其中的 RG min = RG extern + RG intern

fsw max. : 最高開關頻率IoutAV :單路的平均電流QG : 門極電壓差時的 IGBT門極總電荷RG extern : IGBT 外部的門極電阻RG intern : IGBT 晶片內部的門極電阻但是實際上在很多情況下，數據手冊中這個門極電荷參數沒有給出，門極電壓在上升過程中的充電過程也沒有描述。這時候最好是按照 IEC 60747-9-2001 - Semiconductor devices -

圖2

Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)

所給出的測試方法測量出開通能量E，然後再計算出QG。

E = ∫IG · ΔUGE · dt= QG · ΔUGE

這種方法雖然準確但太繁瑣，一般情況下我們可以簡單地利用IGBT數據手

冊中所給出的輸入電容Cies值近似地估算出門極電荷：

如果IGBT數據表給出的Cies的條件為VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的認為Cin=4.5Cies，

門極電荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 4.5 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 4.5

Cies : IGBT的輸入電容（Cies 可從IGBT 手冊中找到）

如果IGBT數據表給出的Cies的條件為VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz，那么可以近似的認為Cin=2.2Cies，

門極電荷 QG ≈ ΔUGE · Cies · 2.2 = [ VG(on) - VG(off) ] · Cies · 2.2

Cies : IGBT的輸入電容（Cies 可從IGBT 手冊中找到）

如果IGBT數據手冊中已經給出了正象限的門極電荷曲線，那么只用Cies 近似計算負象限的門極電荷會更接近實際值：

門極電荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 4.5 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 4.5

-- 適用於Cies 的測試條件為 VCE = 25 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

門極電荷 QG ≈ QG(on) + ΔUGE · Cies · 2.2 = QG(on) + [ 0 - VG(off) ] · Cies · 2.2

-- 適用於Cies 的測試條件為 VCE = 10 V, VGE = 0 V, f= 1 MHz 的IGBT

當為各個套用選擇IGBT驅動器時，必須考慮下列細節：

· 驅動器必須能夠提供所需的門極平均電流IoutAV 及門極驅動功率PG。驅動器的最大平均輸出電流必須大於計算值。

· 驅動器的輸出峰值電流IoutPEAK 必須大於等於計算得到的最大峰值電流。

· 驅動器的最大輸出門極電容量必須能夠提供所需的門極電荷以對IGBT 的門極充放電。在POWER-SEM 驅動器的數據表中，給出了每脈衝的最大輸出電荷，該值在選擇驅動器時必須要考慮。

另外在IGBT驅動器選擇中還應該注意的參數包括絕緣電壓Visol IO 和dv/dt 能力。

公式

Rlimit =10～100Ω,C=10～470μF,Creset=10nF.

IGBT驅動電路

柵極電阻

一、柵極電阻Rg的作用

1、消除柵極振盪

絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射（或柵源）極之間是容性結構，柵極迴路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極迴路在驅動器驅動脈衝的激勵下要產生很強的振盪，因此必須串聯一個電阻加以迅速衰減。

2、轉移驅動器的功率損耗

電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅動功率就將絕大部分消耗在驅動器內部的輸出管上，使其溫度上升很多。

3、調節功率開關器件的通斷速度

柵極電阻小，開關器件通斷快，開關損耗小；反之則慢，同時開關損耗大。但驅動速度過快將使開關器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產生較大的干擾，嚴重的將使整個裝置無法工作，因此必須統籌兼顧。

二、柵極電阻的選取

1、柵極電阻阻值的確定

各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會有很大的差異。初試可如下選取：

IGBT額定電流(A)	50	100	200	300	600	800	1000	1500
Rg阻值範圍(Ω)	10~20	5.6~10	3.9~7.5	3~5.6	1.6~3	1.3~2.2	1~2	0.8~1.5

不同品牌的IGBT模組可能有各自的特定要求，可在其參數手冊的推薦值附近調試。

2、柵極電阻功率的確定

柵極電阻的功率由IGBT柵極驅動的功率決定，一般來說柵極電阻的總功率應至少是柵極驅動功率的2倍。

IGBT柵極驅動功率 P=FUQ，其中：

F 為工作頻率；

U 為驅動輸出電壓的峰峰值；

Q 為柵極電荷，可參考IGBT模組參數手冊。

例如，常見IGBT驅動器(如TX-KA101)輸出正電壓15V，負電壓-9V，則U=24V，

假設 F=10KHz，Q=2.8uC

可計算出 P=0.67w ，柵極電阻應選取2W電阻，或2個1W電阻並聯。

三、設定柵極電阻的其他注意事項

1、儘量減小柵極迴路的電感阻抗，具體的措施有：

a)驅動器靠近IGBT減小引線長度；

b) 驅動的柵射極引線絞合，並且不要用過粗的線；

c) 線路板上的 2 根驅動線的距離儘量靠近；

d) 柵極電阻使用無感電阻；

e) 如果是有感電阻，可以用幾個並聯以減小電感。

2、IGBT 開通和關斷選取不同的柵極電阻

通常為達到更好的驅動效果，IGBT開通和關斷可以採取不同的驅動速度，分別選取 Rgon和Rgoff（也稱 Rg+ 和 Rg- ）往往是很必要的。

IGBT驅動器有些是開通和關斷分別輸出控制，只要分別接上Rgon和Rgoff就可以了。

有些驅動器只有一個輸出端，這就要在原來的Rg 上再並聯一個電阻和二極體的串聯網路，用以調節2個方向的驅動速度。

3、在IGBT的柵射極間接上Rge=10－100K 電阻，防止在未接驅動引線的情況下，偶然加主電高壓，通過米勒電容燒毀IGBT。所以用戶最好再在IGBT的柵射極或MOSFET柵源間加裝Rge。

要求

對於大功率IGBT，選擇驅動電路基於以下的參數要求：器件關斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關係見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門極負偏壓則對關斷特性的影響比較大。在門極電路的設計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發等問題(見表1)。

表1 IGBT門極驅動條件與器件特性的關係

由於IGBT的開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路的變化而變化，因而驅動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT對其驅動電路提出了以下要求。

驅動電路圖

1)向IGBT提供適當的正向柵壓。並且在IGBT導通後。柵極驅動電路提供給IGBT的驅動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處於飽和狀態。瞬時過載時，柵極驅動電路提供的驅動功率要足以保證IGBT不退出飽和區。IGBT導通後的管壓降與所加柵源電壓有關，在漏源電流一定的情況下，VGE越高，VDS儺就越低，器件的導通損耗就越小，這有利於充分發揮管子的工作能力。但是， VGE並非越高越好，一般不允許超過20 V，原因是一旦發生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。

2)能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關斷期間，由於電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產生一些高頻振盪信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處於微通狀態，增加管子的功耗。重則將使調壓電路處於短路直通狀態。因此，最好給處於截止狀態的IGBT加一反向柵壓(幅值一般為5～15 V)，使IGBT在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止。

3)具有柵極電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅動信號超出此範圍就可能破壞柵極。

4)由於IGBT多用於高壓場合。要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。所以驅動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離，一般採用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。

5)IGBT的柵極驅動電路應儘可能的簡單、實用。應具有IGBT的完整保護功能，很強的抗干擾能力，且輸出阻抗應儘可能的低。