三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動電路的分析

??摘要：對幾種三相逆變器中常用的IGBT驅(qū)動專用集成電路進行了詳細的分析，對TLP250、EXB8系列和M579系列進行了深入的討論，給出了它們的電氣特性參數(shù)和內(nèi)部功能方框圖，還給出了它們的典型應(yīng)用電路。討論了它們的使用要點及注意事項。對每種驅(qū)動芯片進行了IGBT的驅(qū)動實驗，通過有關(guān)的波形驗證了它們的特點。最后得出結(jié)論：IGBT驅(qū)動集成電路的發(fā)展趨勢是集過流保護、驅(qū)動信號放大功能、能夠外接電源且具有很強抗干擾能力等于一體的復(fù)合型電路。
關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極晶體管；集成電路；過流保護?

1前言
??? 電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器件得到了迅速的發(fā)展。20世紀(jì)80年代，為了給高電壓應(yīng)用環(huán)境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）[1]。在IGBT中，用一個MOS門極區(qū)來控制寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了一種具有功率MOSFET的高輸入阻抗與雙極型器件優(yōu)越通態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件，它具有控制功率小、開關(guān)速度快和電流處理能力大、飽和壓降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的電源、逆變器、不間斷電源（UPS）和交流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中，它是目前最為常見的一種器件。
??? 功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅(qū)動電路也在不斷地發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多專用的驅(qū)動集成電路。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。圖1為一典型的IGBT驅(qū)動電路原理示意圖。因為IGBT柵極?發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。

??? 對IGBT驅(qū)動電路的一般要求[2][3]：
??? 1）柵極驅(qū)動電壓IGBT開通時，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。在任何情況下，開通時的柵極驅(qū)動電壓，應(yīng)該在12～20V之間。當(dāng)柵極電壓為零時，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極?發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在－5～－15V之間。
??? 2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對IGBT柵極驅(qū)動相當(dāng)重要。IGBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對IGBT的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來的誤導(dǎo)通），但與此同時，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極－發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。
??? 3）柵極驅(qū)動功率IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動負、正偏置電壓的差值ΔUGE、柵極總電荷QG和工作頻率fs的影響。電源的最大峰值電流IGPK為：

??? 在本文中，我們將對幾種最新的用于IGBT驅(qū)動的集成電路做一個詳細的介紹，討論其使用方法和優(yōu)缺點及使用過程中應(yīng)注意的問題。
??? 2幾種用于IGBT驅(qū)動的集成芯片
??? 2.1TLP250（TOSHIBA公司生產(chǎn)）
??? 在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相關(guān)的性能控制，通過檢測直流母線上流入逆變橋的直流電流即可，如變頻器中的自動轉(zhuǎn)矩補償、轉(zhuǎn)差率補償?shù)?。同時，這一檢測結(jié)果也可以用來完成對逆變單元中IGBT實現(xiàn)過流保護等功能。因此在這種逆變器中，對IGBT驅(qū)動電路的要求相對比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅(qū)動芯片主要有東芝公司生產(chǎn)的TLP250，夏普公司生產(chǎn)的PC923等等。這里主要針對TLP250做一介紹。
??TLP250包含一個GaAlAs光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，8腳雙列封裝結(jié)構(gòu)。適合于IGBT或電力MOSFET柵極驅(qū)動電路。圖2為TLP250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖，表1給出了其工作時的真值表。

TLP250的典型特征如下：
1）輸入閾值電流（IF）：5mA（最大）；
2）電源電流（ICC）：11mA（最大）；
3）電源電壓（VCC）：10～35V；
4）輸出電流（IO）：±0.5A（最?。?br>5）開關(guān)時間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）；
6）隔離電壓：2500Vpms（最?。?。
表2給出了TLP250的開關(guān)特性，表3給出了TLP250的推薦工作條件。

??? 注：使用TLP250時應(yīng)在管腳8和5間連接一個0.1μF的陶瓷電容來穩(wěn)定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關(guān)性能，電容和光耦之間的引線長度不應(yīng)超過1cm。
??? 圖3和圖4給出了TLP250的兩種典型的應(yīng)用電路。

??? 在圖4中，TR1和TR2的選取與用于IGBT驅(qū)動的柵極電阻有直接的關(guān)系，例如，電源電壓為24V時，TR1和TR2的Icmax≥24/Rg。
??? 圖5給出了TLP250驅(qū)動IGBT時，1200V/200A的IGBT上電流的實驗波形（50A/10μs）?？梢钥闯?，由于TLP250不具備過流保護功能，當(dāng)IGBT過流時， 通過控制信號關(guān)斷IGBT，IGBT中電流的下降很陡，且有一個反向的沖擊。這將會產(chǎn)生很大的di/dt和開關(guān)損耗，而且對控制電路的過流保護功能要求很高。

TLP250使用特點：
1）TLP250輸出電流較小，對較大功率IGBT實施驅(qū)動時，需要外加功率放大電路。
2）由于流過IGBT的電流是通過其它電路檢測來完成的，而且僅僅檢測流過IGBT的電流，這就有可能對于IGBT的使用效率產(chǎn)生一定的影響，比如IGBT在安全工作區(qū)時，有時出現(xiàn)的提前保護等。
3）要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應(yīng)要快，一般由過電流發(fā)生到IGBT可靠關(guān)斷應(yīng)在10μs以內(nèi)完成。
4）當(dāng)過電流發(fā)生時，TLP250得到控制器發(fā)出的關(guān)斷信號，對IGBT的柵極施加一負電壓，使IGBT硬關(guān)斷。這種主電路的dv/dt比正常開關(guān)狀態(tài)下大了許多，造成了施加于IGBT兩端的電壓升高很多，有時就可能造成IGBT的擊穿。

2.2EXB8..Series（FUJIELECTRIC公司生產(chǎn)）

??? 隨著有些電氣設(shè)備對三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身的原因，在現(xiàn)有的許多逆變器中，把逆變單元IGBT的驅(qū)動與保護和主電路電流的檢測分別由不同的電路來完成。這種驅(qū)動方式既提高了逆變器的性能，又提高了IGBT的工作效率，使IGBT更好地在安全工作區(qū)工作。這類芯片有富士公司的EXB8..Series、夏普公司的PC929等。在這里，我們主要針對EXB8..Series做一介紹。
EXB8..Series集成芯片是一種專用于IGBT的集驅(qū)動、保護等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅(qū)動用變頻器、伺服電機驅(qū)動、UPS、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。具有以下的特點：
1）不同的系列（標(biāo)準(zhǔn)系列可用于達到10kHz開關(guān)頻率工作的IGBT，高速系列可用于達到40kHz開關(guān)頻率工作的IGBT）。
2）內(nèi)置的光耦可隔離高達2500V/min的電壓。
3）單電源的供電電壓使其應(yīng)用起來更為方便。
4）內(nèi)置的過流保護功能使得IGBT能夠更加安全地工作。
5）具有過流檢測輸出信號。
6）單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式。
常用的EXB8..Series主要有：標(biāo)準(zhǔn)系列的EXB850和EXB851，高速系列的EXB840和EXB841。其主要應(yīng)用場合如表4所示。

注：1）標(biāo)準(zhǔn)系列：驅(qū)動電路中的信號延遲≤4μs
2）高速系列：驅(qū)動電路中的信號延遲≤1.5μs
圖6給出了EXB8..Series的功能方框圖。

表5給出了EXB8..Series的電氣特性。

表6給出了EXB8..Series工作時的推薦工作條件。表6EXB8..Series工作時的推薦工作條件

圖7給出了EXB8..Series的典型應(yīng)用電路。

EXB8..Series使用不同的型號，可以達到驅(qū)動電流高達400A，電壓高達1200V的各種型號的IGBT。由于驅(qū)動電路的信號延遲時間分為兩種：標(biāo)準(zhǔn)型（EXB850、EXB851）≤4μs，高速型（EXB840、EXB841）≤1μs，所以標(biāo)準(zhǔn)型的IC適用于頻率高達10kHz的開關(guān)操作，而高速型的IC適用于頻率高達40kHz的開關(guān)操作。在應(yīng)用電路的設(shè)計中，應(yīng)注意以下幾個方面的問題：
——IGBT柵?射極驅(qū)動電路接線必須小于1m；
——IGBT柵?射極驅(qū)動電路接線應(yīng)為雙絞線；
——如想在IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，那么增加IGBT柵極串聯(lián)電阻（Rg）即可；
——應(yīng)用電路中的電容C1和C2取值相同，對于EXB850和EXB840來說，取值為33μF，對于EXB851和EXB841來說，取值為47μF。該電容用來吸收由電源接線阻抗而引起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。
EXB8..Series的使用特點：
1）EXB8..Series的驅(qū)動芯片是通過檢測IGBT在導(dǎo)通過程中的飽和壓降Uce來實施對IGBT的過電流保護的。對于IGBT的過電流處理完全由驅(qū)動芯片自身完成，對于電機驅(qū)動用的三相逆變器實現(xiàn)無跳閘控制有較大的幫助。
2）EXB8..Series的驅(qū)動芯片對IGBT過電流保護的處理采用了軟關(guān)斷方式，因此主電路的dv/dt比硬關(guān)斷時小了許多，這對IGBT的使用較為有利，是值得重視的一個優(yōu)點。
3）EXB8..Series驅(qū)動芯片內(nèi)集成了功率放大電路，這在一定程度上提高了驅(qū)動電路的抗干擾能力。
4）EXB8..Series的驅(qū)動芯片最大只能驅(qū)動1200V/300A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大電路，另外，從圖7中可以看出，該類芯片為單電源供電，IGBT的關(guān)斷負電壓信號是由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的－5V信號，容易受到外部的干擾。因此對于300A以上的IGBT或者IGBT并聯(lián)時，就需要考慮別的驅(qū)動芯片，比如三菱公司的M57962L等。
圖8給出了EXB841驅(qū)動IGBT時，過電流情況下的實驗波形。可以看出，正如前面介紹過的，由于EXB8..Series芯片內(nèi)部具備過流保護功能，當(dāng)IGBT過流時，采用了軟關(guān)斷方式關(guān)斷IGBT，所以IGBT中電流是一個較緩的斜坡下降，這樣一來，IGBT關(guān)斷時的di/dt明顯減少，這在一定程度上減小了對控制電路的過流保護性能的要求。

2.3M579..Series（MITSUBISHI公司生產(chǎn)）
M579..Series是日本三菱公司為IGBT驅(qū)動提供的一種IC系列，表7給出了這種系列的幾種芯片的基本應(yīng)用特性（其中有＊者為芯片內(nèi)部含有Booster電路）。
在M579..Series中，以M57962L為例做出一般的解釋。隨著逆變器功率的增大和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，驅(qū)動信號的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅(qū)動信號關(guān)斷IGBT時的負電壓，M57962L的負電源是外加的（這點和EXB8..Series不同），所以實現(xiàn)起來比較方便。它的功能框圖和圖6所示的EXB8..Series功能框圖極為類似，在此不再贅述。圖9給出了M57962L在驅(qū)動大功率IGBT模塊時的典型電路圖。在這種電路中，NPN和PNP構(gòu)成的電壓提升電路選用快速晶體管（tf≤200ns），并且要有足夠的電流增益以承載需要的電流。

在使用M57962L驅(qū)動大功率IGBT模塊時，應(yīng)注意以下三個方面的問題：
1）驅(qū)動芯片的最大輸出電流峰值受柵極電阻Rg的最小值限制，例如，對于M57962L來說，Rg的允許值在5Ω左右，這個值對于大功率的IGBT來說高了一些，且當(dāng)Rg較高時，會引起IGBT的開關(guān)上升時間td(on)、下降時間td(off)以及開關(guān)損耗的增大，在較高開關(guān)頻率（5kHz以上）應(yīng)用時，這些附加損耗是不可接受的。
2）即便是這些附加損耗和較慢的開關(guān)時間可以被接受，驅(qū)動電路的功耗也必須考慮，當(dāng)開關(guān)頻率高到一定程度時（高于14kHz），會引起驅(qū)動芯片過熱。
3）驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷會使大功率IGBT模塊的開關(guān)效率降低，這是因為大功率IGBT模塊的柵極寄生電容相對比較大，而驅(qū)動電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅(qū)動電路緩慢的關(guān)斷還會使大功率IGBT模塊需要較大的吸收電容。
以上這三種限制可能會產(chǎn)生嚴重的后果，但通過附加的Booster電路都可以加以克服，如圖9所示。

從圖10（a）可以看出，在IGBT過流信號輸出以后，門極電壓會以一個緩慢的斜率下降。圖10（b）及圖10（c）給出了IGBT短路時的軟關(guān)斷過程（集電極－發(fā)射極之間的電壓uCE和集電極電流iC的軟關(guān)斷波形）。
3結(jié)語
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，三相逆變器的應(yīng)用變得非常廣泛。近年來，隨著IGBT制造技術(shù)的提高，相繼出現(xiàn)了電壓等級越來越高、額定功率越來越大的單管、兩單元IGBT模塊及六單元IGBT模塊，同時性能價格比的提高使得IGBT在三相逆變器的設(shè)計中占有很大的比重，成為許多設(shè)計人員首選的功率器件。隨之而來的是IGBT的驅(qū)動芯片也得到了很大的發(fā)展，設(shè)計人員、生產(chǎn)廠家都給予了高度重視，小型化、多功能集成化成為人們不斷追求的目標(biāo)。相信隨著制造技術(shù)的發(fā)展，將會研制出更多更好的IGBT驅(qū)動芯片，并得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

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