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目录1引言 (1)2 IGBT驱动电路 (1)2.1IGBT 简介 (1)2.2IGBT驱动电路选择 (2)2.3驱动电路设计方案比较 (3)3主电路设计 (5)3.1主电路方案 (5)3.2工作原理 (5)3.2.1 降压斩波电路主电路基本原理 (5)4控制电路设计 (6)4.1控制电路方案选择 (6)4.2工作原理 (7)4.3控制芯片介绍 (8)5 MATLAB&真 (11)6课程设计总结 (12)7参考文献 (13)8致谢 (13)1 引言随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。
电子设备的小型化和低成本化使电源向轻，薄，小和高效率方向发展。
开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。
伴随着人们对开关电源的进一步升级，低电压，大电流和高效率的开关电源成为研究趋势。
开关电源分为AC/DC和DC/DC其中DC/DC变换已实现模块化，其设计技术和生产工艺已相对成熟和标准化。
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波电路主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFE与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFE易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFE与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。
IGBT 降压斩波电路由于易驱动，电压、电流容量大在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT 降压斩波电路的发展。
论文题目: IGBT驱动电路的设计专业: 微电子学姓名: 薛少雄签名：指导老师: 韦力签名：摘要IGBT将单极型和双极型器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快，应用很广。
其驱动电路性能直接影响IGBT的功耗、安全性与可靠性等特性，在功率变换器内发挥相当重要的作用。
本文首先介绍IGBT的发展，IGBT的各种特性，其次介绍了IGBT驱动电路的各种保护功能，检测功能，以及栅极输入。
然后又把该次设计过程详细的介绍，包括其原理图，电路板和仿真等。
最后进行总结，总结了该次毕设在设计和焊接中出现的种种问题和解决方案。
该次毕设达到了IGBT的驱动功能，且具备了各种保护功能。
关键字:IGBT，驱动电路，HCPL-316j，栅极驱动，保护电路Subject: the design of IGBT driving circuitSpecialty: MicroelectronicsName: Xue Shaoxiong (Signature)＿＿＿＿Instructor: Wei Li(Signature)＿＿＿＿AbstractIGBT combines the advantages of unipolar and bipolar device to a more effective device, and has more superior characteristics with higher input impedance, faster speed, lower on voltage,higher off voltage and lager current withstand .So it is fastly developed and widely used.The driver circuit performance of it directly affects the IGBT power, security and reliability in power converters, and plays an important role in power inverter.This paper introduces the development and characteristics of IGBT firstly, and the the function of protecting function, and the grid input of IGBT driving circuit is introduced secondly. Then the design process is introduced in detail, including its principle of circuit and simulation, etc. Finally, summarizes the Picasso in design and welding problems and solutions.The project reaches IGBT drive function and has various protection function.KEY WORDS ：IGBT ,Driving circuit,HCPL-316j，Gate drive,Protection circuit目录第1章概述11.1功率半导体技术的发展11.1.1 电力电子器件的发展11.1.2 IGBT的发展历程21.2 选题目的和意义31.3 研究思路、内容及方法31.3.1 研究内容31.3.2 研究方法5第2章IGBT原理和驱动条件62.1 原理与特性62.1.1 IGBT的工作原理62.1.2 基本特性82.2 门极驱动142.2.1 栅极驱动条件142.2.2 IGBT驱动电路152.3光耦电路及其原理16第3章IGBT保护电路设计183. 1 IGBT过压保护电路183.1.1 IGBT栅极过压保护电路183.1.2 集电极与发射极间的过压保护电路183.1.3 直流过电压193.1.4 浪涌过电压193.1.5 IGBT开关过程中的过电压193.2 IGBT过流短路保护电路203.2.1 IGBT过流保护的分类203.2.2 过流保护检测电路213.2.3 过流和短路保护措施213.2.4 典型过流保护电路223.3 IGBT过热保护电路243.4 IGBT欠压保护电路24第4章IGBT驱动电路设计254.1 IGBT的选择和FGA25N120ANTD的介绍254.1.1 IGBT种类和参数254.1.2 FGA25N120ANTD的介绍254.2驱动芯片的选择和HCPL_316J芯片的介绍284.2.1 驱动芯片的种类284.2.2 HCPL-316J芯片的介绍294.3 原理图的设计和个模块的介绍334.3.1原理图和HCPL-316j内部原理图334.3.2 原理图各模块介绍344.4 电路板设计和功能实现364.4.1 电路板设计和介绍364.4.2 功能仿真37第5章结论395.1 设计完成情况395.2 设计中存在的问题及解决方案39附录41附录1：到工厂实习心得41附录2：到华盛铝厂参观心得42致谢43参考文献44第1章概述1.1功率半导体技术的发展1.1.1 电力电子器件的发展电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。
目录•一IGBT驱动电源电压、功率设计功率•二驱动电阻选型•三IGBT故障检测实现方法•四常用IGBT驱动芯片及驱动电路•五IGBT驱动电路常见问题及处理方法开通电压关断电压功率设计开启过程关断过程• 1 驱动电阻阻值不小于模块资料推荐值Rgon，驱动电流峰驱动电流峰值应小于驱动器的最大驱动电流。
• 2 做双脉冲实验，确定开通时续流二极管是否处于安全工2做双脉冲实验确定开通时续流二极管是否处于安全工作区，关断时IGBT是否处在安全工作区，主要考虑与母排杂散电感的匹配。
• 3 考虑温升。
• 4 考虑门极波形是否振荡。
4考虑门极波形是否振荡•5按经验值，一般取模块资料推荐值Rgon的两倍。
双脉冲测试方法的意义• 1. 对比不同的IGBT的参数，例如同一品牌的不同系列的产品的参数，或者是不同品牌的IGBT的性能。
的性能• 2. 获取IGBT在开关过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适，评估是否需要配吸收电路等。
• 3. 考量IGBT在变换器中工作时的实际表现。
例如二极管的反向恢复3在变换器中工作时的实际表现例如二极管的反向恢复电流是否合适，关断时的电压尖峰是否合适，开关过程是否有不合适的震荡等。
•44 .测试母排的杂散电感，确定母排是否要优化。
•硬件可根据实验结果确定驱动电阻，门极Cge，及是否要添加有源箝位电路•器件可根据实验结果确定各品牌IGBT的性能。
•结构可根据实验结果确定母排设计是否合理。
双脉冲实验示意图脉冲实验IGBT反向安全工作区反向安全作区FF400R33KF2C1 驱动电压欠压故障：直接采用采用滞环比较强实现。
2 短路故障：采用Vce电压检测或霍尔检测。
电压检测电路Vce电压检测电路（1700V以下模块）意图Vce检测示意图（1700V以下模块）IGBT特性曲线电压检测电路方法Vce电压检测电路方法一（3300V模块）Vce电压检测电路方法二（3300V模块）电压检测电路方法电压检测电路方法Vce电压检测电路方法二（3300V模块）有源箝位电路有源箝位电路改进型的有源箝位电路动态有源箝位电路有源箝位电路实测波形公司常用驱动电路•基于HCPL-3120的驱动电路•基于ACPL-W314的驱动电路•基于ACPL-330J的驱动电路•基于PC929的驱动电路•基于IGD515的驱动电路•基于分离器件设计的驱动电路基于HCPL-3120的驱动电路特性：）的最大输出电流；1 2.5A2）15~30V的供电范围；3）小于500ns的转换速度基于ACPL-W314的驱动电路ACPL-W314的驱动原理和HCPL-3120一样，但ACPL-W314的最大输出06A转换速度电流只有0.6A，转换速度700ns。
IGBT驱动电路原理及设计方法本文着重介绍三个IGBT驱动电路。
驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，对IGBT驱动电路的基本要求如下：（1）提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断。
（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通。
（3）尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率。
（4）足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。
（5）具有灵敏的过流保护能力驱动电路EXB841/840EXB841工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA 的电流流过1us以后IGBT正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V，所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V，二极管VD截止，不影响V4和V5正常工作。
■- ■ ―- ■ —«■www.d i angon. com当14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V,是IGBT栅一射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断, 同时VCE的迅速上升使引脚6 “悬空”。
C2的放电使得B点电位为0V,则V S1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低，完成慢关断，实现对IGBT的保护。
由EXB841 实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE有关，还和二极管VD2的导通电压Vd 有关。
典型接线方法如图2,使用时注意如下几点：a、I GBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长（一般应该小于1m），并且应该采用双绞线接法，防止干扰。
1．IGBT驱动电路的要求驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动IGBT，保证IGBT的可靠工作，驱动电路起着至关重要的作用，图1为典型的PWM信号控制图腾柱电路以驱动IGBT开通与关断。
对IGBT驱动电路的基本要求如下：图1 IGBT典型驱动电路○1触发脉冲要有足够快的上升速度和下降速度，即脉冲沿前后要陡峭；○2栅极串联电阻Rg要恰当，Rg过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，Rg过大，器件开关速度降低，开关损耗增大。
)要恰当，增大删射正偏压对减小开通损耗与导通损耗○3栅极-射极电压(VGE有利，但也会使IGBT承受短路时间变短，续流二极管反向恢复电压增大。
因此正偏压要适当，通常为+15V。
为了保证在C-E间遇到噪声时可靠关断，关断时必须在栅极施加负偏压，以防止受到干扰时误开通和加快关断速度，减小关断损耗，幅值一般为-（5~10）V。
○4当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许的时间内通过逐渐降低栅极电压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。
驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。
下面从以上四个方面分析三种驱动模块电路（驱动电路EXB841/840、SD315A集成驱动模块、M57959L/M57962L厚膜驱动电路）的特性。
2.驱动电路EXB841/8402.1．EXB841驱动芯片的内部特性及其原理EXB841驱动芯片是可作为600V400A或者1200V300A以下的IGBT驱动电路，具有单电源、正负偏压、过流检测及保护、软关断等特性。
驱动模块导通与关断时间都在1.5µs以内。
最大允许的开关频率为40KHz。
EXB 系列驱动器的各引脚功能如下：脚 1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚 2 ：电源（＋ 20V ）；脚 3 ：驱动输出；脚 4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚 5 ：过流保护输出；脚 6 ：集电极电压监视；脚 7 、 8 ：不接；脚 9 ：电源地；脚 10 、 11 ：不接；脚 14 、 15 ：驱动信号输入（一，＋）；图2驱动电路EXB841/840EXB841 由放大部分、过流保护部分和 5V 电压基准部分组成。
3.控制电路设计3.1控制电路原理图及分析图3-1 IGBT驱动电路原理图本系统中对逆变部分的控制采用以51单片机为核心的数字控制方式，由51单片机产生的PWM信号控制IGBT的导通与关断，但是51单片机输出的电压和电流较小，不满足驱动IGBT的最小要求，因此需要专门的IGBT驱动电路。
IGBT的驱动电路如下图所示。
单片机从PWM1引脚发出PWM信号，输入TLP250，然后，TLP250从G1和E1输出IGBT的驱动信号，G1和E1分别接到IGBT的栅极和发射极。
为了使IGBT可以加速关断速度，使系统运行更加可靠，当IGBT关断时，使栅极和发射极之间为负电压。
在电路中，采用6V的稳压管2CW7C，供电电压为15V。
当前端输入导通时，栅极和发射极之间产生9V电压，驱动IGBT导通；当前端输入关断时，栅极和发射极之间产生负6V的电压，加快了IGBT的关断，保证了系统的可靠运行。
3.2 驱动电路设计（1）光耦隔离的选型在本设计中，IGBT的驱动采用了东芝公司的TLP250芯片。
TLP250前端最小导通电流为5mA，供电电压为10—35V，输出电流可达1.5A，隔离电压可达2500V，额定工作频率为25KHZ。
并且外围电路简单，工作稳定可靠。
TLP250是8脚DIP封装，适用于栅极驱动的IGBT管和大功率MOSFET管•输入阈值电流: IF=5mA(最大)•电源电流(ICC) : 11mA(最大)•电源电压(VCC): 10~35V•输出电流(IO): ±2.0A(最大)•开关转换时间(tpLH/tpHL) : 0.5µs(最大)•隔离电压: 2500Vrms图3-2 管脚排列(俯视图)1:空置5:地2:正极6:电压输出3:负极7:电压输出4:空置8:电源注：用一个0.1µF陶瓷电容应该连接在8脚和5脚之间来获得稳定的放大增益。
. 错误的走线（绕线）可能会削弱开关的性能。
电容和耦合器之间的总长度不能超过1cm。
IGBT实用的驱动电路及细节设计IGBT实用的驱动电路及细节设计1.IGBT的模型IGBT的模型在教科书上能找到，其栅极G，相当于一个数纳法(nF)的小电容(暂时这样认为)，这与MOS管类似;其集电极C和发射极E 又类似于一只三极管的C、E极。
因此，它结合了MOS管和三极管的特点：(1)栅极的绝缘电阻无穷大，只要向栅极充入一定的正电荷，使得栅极电压大于导通电压，管子就会导通，并且导通程度深，线性范围很窄。
这一点类似于MOS管。
(2)由于栅极的绝缘电阻无穷大，因此电荷能够一直保存，即开通后可以一直开通。
而且当栅极开路时，也常会处于开通状态。
正因为这个特性，驱动IGBT的电路不需要提供很大的持续电流。
但这容易引起误导通，为了防止误导通，栅极G和发射极E之间必须跨接一只电阻。
不少第一次接触MOS管和IGBT的朋友就是因为没有跨接此电阻而烧了管子。
跨接电阻一般为10k欧/0.25W。
(3)栅极电容的耐压是有一点限度的，一般是±20V，当超过此限度，可能会烧坏。
因此，栅极要加一对稳压二极管，用于吸收过高的电压。
稳压二极管一般头对头串联，每只是18V/1W，限制的电压范围是±18.7V左右。
(4)输出极C和E特性类似于三极管，因此具有一定的导通压降，而不是像MOS管那样用导通电阻来衡量。
导通压降与导通饱和度有关，导通饱和度受到栅极电压的影响，因此栅极电压不应太低，虽然IGBT在7V就完全能导通，但标准的栅极驱动电压是15V。
(5)为了保证栅极驱动不误动作，一般关闭时要让栅极带有一定的负电压。
通常对于小功率IGBT，负电压应在-8V左右。
因此，通常IGBT 的标准驱动电压为-8V、+15V。
实际使用时，如果采用光耦，例如A3120，其正压降约为2.5V，负压降几乎为零，因此，为了达到标准驱动电压，光耦前端的供电电压应为-8V、+17.5V。
(6)IGBT的栅极电容是非线性的，在导通电压和关断电压附近，其栅极电容相当于突然增大数倍，需要充入或者吸出较多电荷，因此，驱动电路的作用主要体现在导通和关断的转折点上，此时要提供较多电荷，具有较大的驱动电流，故驱动电路的主要电流是瞬时电流，频率很高，这就要求驱动电路的供电具有极小的高频内阻。
IGBT驱动电路设计————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：一种IGBT驱动电路的设计IGBT的概念是20世纪80年代初期提出的。
IGBT具有复杂的集成结构，它的工作频率可以远高于双极晶体管。
IGBT已经成为功率半导体器件的主流。
在10～100 kHz的中高压大电流的范围内得到广泛应用。
IGBT进一步简化了功率器件的驱动电路和减小驱动功率。
1 IGBT的工作特性。
IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。
当栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。
此时从N+区注入到N-区的空穴（少子）对N-区进行电导调制，减小Ⅳ区的电阻R dr ，使阻断电压高的IGBT也具有低的通态压降。
当栅极上施以负电压时。
MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被关断。
在IGBT导通之后。
若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使集电极电流有所下降，但由于N-区中注入了大量的电子和空穴对，因而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。
2 驱动电路的设计2.1 IGBT器件型号选择1）IGBT承受的正反向峰值电压考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为1 200 V。
2）IGBT导通时承受的峰值电流。
额定电流按380 V供电电压、额定功率30 kVA容量算。
选用的IGBT型号为SEMIKRON公司的SKM400GA128D。
2.2 IGBT驱动电路的设计要求对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。
门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv／dt电流等参数有不同程度的影响。
门极驱动条件与器件特性的关系见表1。
igbt驱动电路，igbt驱动电路图，igbt驱动电路的选择igbt驱动电路igbt(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
下图所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。
N+ 区称为漏区。
器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region ）。
而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
igbt的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。
IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。
igbt驱动电路图：igbt驱动电路图一igbt驱动电路图二igbt驱动电路图三igbt驱动电路的选择：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。
