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IGBT栅极驱动电路的特性分析和应用

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文章编号:1004—289X(2005)04-0040-04IG BT栅极驱动电路的特性分析和应用付永生(郑州大学电气工程学院,郑州,450002)摘　要:详细叙述了功率绝缘栅双极型晶体管IG BT对驱动电路的特殊要求以及设计驱动电路应该考虑的问题,概述了IG BT驱动电路的常用类型,并给出了几个具有实用意义的典型电路。

关键词:绝缘栅双极型晶体管(IG BT);特性;分立驱动电路;集成驱动电路中图分类号:T M13 文献标识码:BCharacteristic Analysis and Application about IG BT G rid Driving CircuitFU Yong-sheng(School of Electrical Engineer,Zhengzhou University,Zhengzhou,450002China)Abstract:The paper describes the basic characteristic analysis and application about IG BT grid driver circuit,discusses s ome issues about designing the driving circuit,and als o summarizes the operation principle about kinds of driving circuits,meanwhile refers to s ome applied circuits.K ey w ords:IG BT characteristic;scatter driving cuicuit;integration driving circuit1　前言以M OS与双极型晶体管结合产生的绝缘栅双极型晶体管(IG BT)具有电压型驱动、驱动功率小、开关速度高、饱和压降低和可耐高电压、大电流等一系列应用上的优点,表现出良好的综合性能。

IG BT已经逐步取代了电力晶体管(G TR),并在许多领域中逐步取代电力场效应晶体管(M OSFET)。

然而,IG BT良好特性的发挥往往因其栅极驱动电路设计上的不合理,制约着IG BT的推广及应用。

本文分析了IG BT对其栅极驱动电路的要求,并介绍了部分栅极驱动集成电路的应用。

2　IG BT栅极驱动电路的特性IG BT栅极驱动条件与IG BT的特性密切相关,设计栅极驱动电路时,应特别注意开通特性、负载短路能力和d u ce/d t引起的误触发。

此外,当IG BT出现过电流故障时,由于其抗浪涌能力有限,当器件电流过大时,会产生不可控的擎柱效应而失去关断能力,因此电路的过电流保护必须很快,避免短路电流上升到擎柱状态。

但是如果关断速度过快,将会造成d i/d t过大形成很高的电压尖峰,损坏器件或设备中其它元器件。

因此应该采取先降栅压,再软关断的方法。

基于以上分析,IG BT栅极驱动电路应该具有以下特性[1]:1)栅极驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大,以减小开通和关断损耗。

但是,由于主电路中存在分布电感及滤波电容的串联电感,随着IG BT的超速开通与关断将在电路中产生高频幅值很高而宽度很窄的尖峰电压L d i/d t,该尖峰电压应用常规的过电压吸收电路是吸收不掉的,因而有可能造成IG BT自身或电路中其它元件过电压击穿而损坏,所以主电路应尽可能使用短引线或双绞线降低分布电感的影响,而且IG BT 开关时间也不能过分短,其值应根据所有元件及IG BT 自身的承受d u/d t的能力综合考虑;2)IG BT导通后,栅极驱动电路提供给IG BT的驱动电压和电流要具有足够的幅值维持IG BT处于饱和状态,且当IG BT瞬时过载时IG BT不退出饱和区而损坏;3)栅极驱动电路提供给IG BT的正向驱动电压+ U GE应取值适当。

因为,虽然+U GE增加时,IG BT输出级晶体管的导通压降U CE和开通损耗值将下降。

但是,在负载短路过程中,IG BT的集电极电流也随着+ U GE的增加而增加,并使IG BT承受短路损坏的脉宽变窄;4)IG BT栅射极施加的反向偏压有利于其快速关断,但反向负偏压-U GE受IG BT栅-射极之间反向最大耐压的限制,过大的反向电压会造成IG BT栅-射极的反向击穿,所以-U GE应取合适的值,一般为-2-15V;5)由于IG BT内寄生晶体管、寄生电容的存在,使栅极驱动与IG BT损坏时的脉宽有密切的关系,这就要求在设计驱动电路时合理地处理这种关系;6)由于IG BT多用于高电压场合,所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离;7)IG BT的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用,最好自身带有对驱动IG BT的完整保护能力及很强的抗干扰性能,而且输出阻抗应尽可能的低;8)由于栅极信号的高频变化,为防止造成同一个系统多个IG BT的栅极驱动电路捆扎在一起很容易相互干扰,引线应采用绞线或同轴电缆屏蔽线,同时栅极驱动电路中IG BT模块栅-射极的引线应尽可能的短。

3　IG BT栅极驱动电路的应用IG BT栅极驱动电路有多种形式。

按照驱动电路元件的组成可分为分立元件组成的驱动电路和集成化的驱动电路;按照驱动方式可分为直接驱动和隔离驱动。

以下分别阐述各种驱动电路的工作原理及特点。

3.1　分立元件驱动电路1)直接驱动电路如图1所示,为了使IG BT稳定工作,一般要求双电源供电方式,即驱动电路要求采用正、负偏压的双电源方式,输入信号经整形器整形后进入放大级,放大级采用有源负载方式以提供足够的门极电流。

为消除可能出现的振荡现象,IG BT的栅射极间接入了RC 网络组成的阻尼滤波器。

此种驱动电路适用于小容量,开关频率较低的IG BT;2)耦合驱动电路耦合驱动电路常见的有变压器耦合和光电耦合两种,如图2、图3、图4所示。

图2是最简单的变压器隔离驱动电路,适用于小容量的IG BT。

图3为光电耦合隔离驱动电路,采用双电源供电的方式。

当U G使发光二极管有电流流过时,光电耦合器H U的二极管导通,R1上有电流流过,场效应管T1关断,在V C的作用下,经电阻R2、T2管的基-发射器有了偏流,T2迅速导通,经R G栅极电阻,IG BT得到正偏而导通。

当U G 没有脉冲电压时,发光二极管不发光,作用过程相反, T1导通使T3导通,-V C经栅极电阻R G加在IG BT的栅射极之间,使IG BT迅速关断。

图4是一个具有完善短路保护功能的IG BT驱动电路。

高速光耦6N137实现输入输出信号的电隔离,它的传输信号的时间只有75ns适合高频应用场合。

V2、V3、V4构成驱动脉冲放大环节。

利用集电极退饱和原理,D2、R6、V1、R4构成短路信号检测环节,其中D2采用快恢复二极管,是为了防止IG BT关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。

A1、A2、V5组合实现短路信号门限电压比较以及延时缓降栅压功能。

V6、V7、LMC555、C D4081组合实现延时封锁输入信号功能。

A1、A2采用高速电压比较器LM319,提高了保护电路的反映速度。

调整V Z1的稳压值可以调节保护动作的短路电流门限值;C4、R9的参数决定降栅压动作的延迟时间;C5、VZ5的参数决定封锁输入信号的延迟时间;C3是控制缓降栅压斜率的电容器[2]。

图1　有正负偏压的直接驱动电路图2　变压器隔离驱动图3　光电耦合驱动电路正常工作状态时,控制电路送来高电平脉冲信号, 6N137导通,V1、V2截止,V3导通,驱动电路向IG BT 提供+15V的栅极驱动信号。

控制电路送来脉冲低电平信号,6N137关断,V1、V2导通,由于IG BT的发射极图4　具有完善短路保护功能的光耦IG BT 栅极驱动电路接地,故V4导通,IG BT 获得-5V 的栅极驱动信号。

当短路故障时,IG BT 集电极退饱和,A 点电位升高。

当短路电流超过额定值时,A1反转输出高电平,V5延时2.5μs 导通,B 点电位缓慢下降,IG BT 的栅极驱动电压随之缓慢下降,延长了IG BT 的短路电流承受时间。

这部分电路实现了延时缓降栅压功能。

V5导通,V6截止,如果短路信号再维持7μs ,则LMC555反转输出高电位,V7导通,通过与门4081封锁输入信号,IG BT 被保护中断。

如果在LMC555反转之前,短路故障自动消失,则B 点电位将恢复到+15V 。

3.2　IG BT 集成化驱动电路IG BT 的集成栅极驱动器种类繁多,几乎各生产IG BT 模块的公司都推出了自己的配套驱动器。

如H L402[3]就是一个保护功能齐全的IG BT 厚膜集成驱动器。

H L402具有先降栅压、后软关断的双重短路保护功能,降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率均可通过外接电容器进行整定,因而能适应不同的饱和压降IG BT 的驱动和保护。

H L403A(B )是在H L402A (B )的基础上改进电路设计及工艺,采用高新技术制作的厚膜集成驱动器,它在外加功率放大单元后可直接驱动600A 、1200V 的电力IG BT ,且本身又具有H L402A (B )的所有功能,并且其典型接线的电参数、各主要引脚的波形及外配元器件的选用与H L402完全相同。

EX B841[4]具有过电流保护电路,采用了检测集电极电压判断故障和软关断技术。

以上3种驱动模块在许多文章中都有详述,本文不再赘述。

下面介绍一种具有保护及定时复位功能的厚膜集成驱动模块M57959A L ,它是厚膜混合集成电路,内置具有良好电器隔离的光耦合器,可以可靠驱动IG BT 。

它可以直接驱动U CES =600V 、电流容量在200A 以内的IG BT 模块及U CES =1200V 系列、电流容量在100A 以内的IG BT 模块。

M57959A L 的内部结构和工作原理如图5所示[1][5]。

它的设计特点:1)采用双电源驱动技术;2)内部集成具有输出端口的内置短路保护电路;3)输入与TT L 电平兼容;输入与输出间用光电耦合器实现电气隔离,绝缘电压为2500V ,1min 。

M57959A L 应用技术如图6和图7所示,分别是单电源和双电源工作典型接线图,应用中应该特别注意以下问题:1)引脚3、7、9、10是用于测试的,所以使用中不允许与外部电路相连接;2)电压补偿电容器与它之间的连线应尽可能短。

接于高压与引脚1之间的快恢复二极管VD1的反向耐压应与功率模块的耐压相同;图5　M57959A L 的内部结构及工作原理图图6　M57959A L 的单电源工作示意图图7　M57959A L 的双电源工作示意图3)作为钳位保护措施应在引脚1和6之间接入一稳压二极管。

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IGBT的栅极驱动电路解读

IGBT的栅极驱动电路解读

5

1. IGBT对栅极驱动电路的特殊要求

7) IGBT的栅极驱动电路应尽可能地简单、实用，应 具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且 输出阻抗尽可能地低。
8) 驱动电路的栅极配线走向应与主电流线尽可能远， 同时驱动电路到IGBT模块栅一射引线应尽可能的短， 采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，并从栅极直接接到被 驱动IGBT的栅一射极。 9) 同一电力电子设备中，使用多个不同电位的IGBT 的时候，一定要使用光隔离器，解决电位隔离的问题。
3.2IGBT的栅极驱动电路


3.2.1 对IGBT栅极驱动电路的要求
IGBT的栅极驱动条件密切地关系到它的静 态和动态特性。 栅极电路的正偏压VGE、负偏压-VGE和栅极 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。
1

栅极驱动条件与器件特性的关系
4

1. IGBT对栅极驱动电路的特殊要求

5) 在大电感负载的情况下，过快的开关速度， 反而是有害的，大电感负载在IGBT的快速开通 和关断时，会产生高频且幅值很高而宽度很窄 的尖峰电压Ldi/dt，该尖峰不易吸收，容易造 成器件损坏。
6) 由于IGBT多用于高压场合，所以驱动电路应 与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用 高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。
3.2.3 HR065 IGBT厚膜集成驱动电路
（1）内部结构和工作原理
输入脉冲信号经 高速光耦合器隔 离后，通过传输 级即可送到输出 级，产生正、负 偏压加到IGBT 栅极。 故障检测电路动作时，经开关S2向故障信号输出电路及导通保 持电路发出动作信号。 导通保持电路的作用是实现所谓的“软关断” 。 软关断的好处是可延长IGBT承受短路的时间，同时能有效地抑 制C、E端的关断尖峰电压，避免器件因过电压而击穿。 逻辑电路的作用是保证只有在输出正向偏压期间，故障检测电 路才起作用，其余时间不起作用。
简述IGBT的主要特点和工作原理

简述IGBT的主要特点和工作原理

简述IGBT的主要特点和工作原理一、简介IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种复合全控电压驱动功率半导体器件。

由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。

IGBT兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降的优点。

GTR 的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。

MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。

非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。

封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。

IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。

一般IGBT也指IGBT模块。

随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。

IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。

二、IGBT的结构下图显示了一种N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。

N+区称为源极区，其上的电极称为源极（即发射极E）。

N基区称为漏区。

器件的控制区为栅极区，其上的电极称为栅极（即栅极G）。

沟道形成在栅区的边界处。

C 极和E 极之间的P 型区域称为子通道区域。

漏极区另一侧的P+ 区称为漏极注入器。

它是IGBT独有的功能区，与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管。

它充当发射极，将空穴注入漏极，进行传导调制，并降低器件的通态电压。

《N沟道增强型绝缘栅双极晶体管》IGBT的开关作用是通过加正栅电压形成沟道，为PNP（原NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

反之，加反向栅压消除沟道，切断基极电流，就会关断IGBT。

浅析IGBT门级驱动精选全文完整版

浅析IGBT门级驱动精选全文完整版

可编辑修改精选全文完整版浅析IGBT门级驱动绝缘栅双极晶体管IGBT是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40 kHz)的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。

广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。

IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术,故作为重点介绍给同学们。

1 IGBT门极驱动要求1.1 栅极驱动电压因IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行驱动，但IGBT 的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。

图1是一个典型的例子。

在+20℃情况下，实测60 A，1200 V以下的IGBT开通电压阀值为5～6 V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Uge≥(1.5～3)Uge(th)，当Uge增加时，导通时集射电压Uce将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge增加，集电极电流Ic也将随之增加，使得IGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Uge选择不应太大，这足以使IGBT完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力(在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，+Uge在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力)。

1.2 对电源的要求对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT关断时产生的du/dt误使IGBT导通，应加上一个-5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断(过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿，一般为-2～-10 V之间)。

1.3 对驱动波形的要求从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。

解析IGBT工作原理及作用

解析IGBT工作原理及作用

解析IGBT工作原理及作用一、IGBT是什幺 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，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。

 通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

三大特点就是高压、大电流、高速。

 二、IGBT模块 IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

 IGBT的等效电路如图1所示。

由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，。