三相逆变器中IGBT的几种驱动电路的分析

  摘要：对几种三相逆变器中常用的IGBT驱动专用集成电路进行了详细的分析，对TLP250、EXB8系列和M579系列进行了深入的讨论，给出了它们的电气特性参数和内部功能方框图，还给出了它们的典型应用电路。讨论了它们的使用要点及注意事项。对每种驱动芯片进行了IGBT的驱动实验，通过有关的波形验证了它们的特点。最后得出结论：IGBT驱动集成电路的发展趋势是集过流保护、驱动信号放大功能、能够外接电源且具有很强抗干扰能力等于一体的复合型电路。
关键词：绝缘栅双极晶体管；集成电路；过流保护 

1前言
    电力电子变换技术的发展，使得各种各样的电力电子器件得到了迅速的发展。20世纪80年代，为了给高电压应用环境提供一种高输入阻抗的器件，有人提出了绝缘门极双极型晶体管（IGBT）[1]。在IGBT中，用一个MOS门极区来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率MOSFET的高输入阻抗与双极型器件优越通态特性相结合的非常诱人的器件，它具有控制功率小、开关速度快和电流处理能力大、饱和压降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的电源、逆变器、不间断电源（UPS）和交流电机调速系统的设计中，它是目前最为常见的一种器件。
    功率器件的不断发展，使得其驱动电路也在不断地发展，相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。图1为一典型的IGBT驱动电路原理示意图。因为IGBT栅极?发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

    对IGBT驱动电路的一般要求[2][3]：
    1）栅极驱动电压IGBT开通时，正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12～20V之间。当栅极电压为零时，IGBT处于断态。但是，为了保证IGBT在集电极?发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。反向偏压应该在－5～－15V之间。
    2）串联栅极电阻（Rg）选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。所以，较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性（可避免dv/dt带来的误导通），但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极－发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。
    3）栅极驱动功率IGBT要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动负、正偏置电压的差值ΔUGE、栅极总电荷QG和工作频率fs的影响。电源的最大峰值电流IGPK为：

    在本文中，我们将对几种最新的用于IGBT驱动的集成电路做一个详细的介绍，讨论其使用方法和优缺点及使用过程中应注意的问题。
    2几种用于IGBT驱动的集成芯片
    2.1TLP250（TOSHIBA公司生产）
    在一般较低性能的三相电压源逆变器中，各种与电流相关的性能控制，通过检测直流母线上流入逆变桥的直流电流即可，如变频器中的自动转矩补偿、转差率补偿等。同时，这一检测结果也可以用来完成对逆变单元中IGBT实现过流保护等功能。因此在这种逆变器中，对IGBT驱动电路的要求相对比较简单，成本也比较低。这种类型的驱动芯片主要有东芝公司生产的TLP250，夏普公司生产的PC923等等。这里主要针对TLP250做一介绍。
  TLP250包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构。适合于IGBT或电力MOSFET栅极驱动电路。图2为TLP250的内部结构简图，表1给出了其工作时的真值表。

TLP250的典型特征如下：
1）输入阈值电流（IF）：5mA（最大）；
2）电源电流（ICC）：11mA（最大）；
3）电源电压（VCC）：10～35V；
4）输出电流（IO）：±0.5A（最小）；
5）开关时间（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）；
6）隔离电压：2500Vpms（最小）。
表2给出了TLP250的开关特性，表3给出了TLP250的推荐工作条件。

    注：使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引线长度不应超过1cm。
    图3和图4给出了TLP250的两种典型的应用电路。

    在图4中，TR1和TR2的选取与用于IGBT驱动的栅极电阻有直接的关系，例如，电源电压为24V时，TR1和TR2的Icmax≥24/Rg。
    图5给出了TLP250驱动IGBT时，1200V/200A的IGBT上电流的实验波形（50A/10μs）。可以看出，由于TLP250不具备过流保护功能，当IGBT过流时， 通过控制信号关断IGBT，IGBT中电流的下降很陡，且有一个反向的冲击。这将会产生很大的di/dt和开关损耗，而且对控制电路的过流保护功能要求很高。

TLP250使用特点：
1）TLP250输出电流较小，对较大功率IGBT实施驱动时，需要外加功率放大电路。
2）由于流过IGBT的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过IGBT的电流，这就有可能对于IGBT的使用效率产生一定的影响，比如IGBT在安全工作区时，有时出现的提前保护等。
3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到IGBT可靠关断应在10μs以内完成。
4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对IGBT的栅极施加一负电压，使IGBT硬关断。这种主电路的dv/dt比正常开关状态下大了许多，造成了施加于IGBT两端的电压升高很多，有时就可能造成IGBT的击穿。

2.2EXB8..Series（FUJIELECTRIC公司生产）

    随着有些电气设备对三相逆变器输出性能要求的提高及逆变器本身的原因，在现有的许多逆变器中，把逆变单元IGBT的驱动与保护和主电路电流的检测分别由不同的电路来完成。这种驱动方式既提高了逆变器的性能，又提高了IGBT的工作效率，使IGBT更好地在安全工作区工作。这类芯片有富士公司的EXB8..Series、夏普公司的PC929等。在这里，我们主要针对EXB8..Series做一介绍。
EXB8..Series集成芯片是一种专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加热和电焊设备等工业领域。具有以下的特点：
1）不同的系列（标准系列可用于达到10kHz开关频率工作的IGBT，高速系列可用于达到40kHz开关频率工作的IGBT）。
2）内置的光耦可隔离高达2500V/min的电压。
3）单电源的供电电压使其应用起来更为方便。
4）内置的过流保护功能使得IGBT能够更加安全地工作。
5）具有过流检测输出信号。
6）单列直插式封装使得其具有高密度的安装方式。
常用的EXB8..Series主要有：标准系列的EXB850和EXB851，高速系列的EXB840和EXB841。其主要应用场合如表4所示。

注：1）标准系列：驱动电路中的信号延迟≤4μs
2）高速系列：驱动电路中的信号延迟≤1.5μs
图6给出了EXB8..Series的功能方框图。

表5给出了EXB8..Series的电气特性。

表6给出了EXB8..Series工作时的推荐工作条件。表6EXB8..Series工作时的推荐工作条件

图7给出了EXB8..Series的典型应用电路。

EXB8..Series使用不同的型号，可以达到驱动电流高达400A，电压高达1200V的各种型号的IGBT。由于驱动电路的信号延迟时间分为两种：标准型（EXB850、EXB851）≤4μs，高速型（EXB840、EXB841）≤1μs，所以标准型的IC适用于频率高达10kHz的开关操作，而高速型的IC适用于频率高达40kHz的开关操作。在应用电路的设计中，应注意以下几个方面的问题：
——IGBT栅?射极驱动电路接线必须小于1m；
——IGBT栅?射极驱动电路接线应为双绞线；
——如想在IGBT集电极产生大的电压尖脉冲，那么增加IGBT栅极串联电阻（Rg）即可；
——应用电路中的电容C1和C2取值相同，对于EXB850和EXB840来说，取值为33μF，对于EXB851和EXB841来说，取值为47μF。该电容用来吸收由电源接线阻抗而引起的供电电压变化。它不是电源滤波器电容。
EXB8..Series的使用特点：
1）EXB8..Series的驱动芯片是通过检测IGBT在导通过程中的饱和压降Uce来实施对IGBT的过电流保护的。对于IGBT的过电流处理完全由驱动芯片自身完成，对于电机驱动用的三相逆变器实现无跳闸控制有较大的帮助。
2）EXB8..Series的驱动芯片对IGBT过电流保护的处理采用了软关断方式，因此主电路的dv/dt比硬关断时小了许多，这对IGBT的使用较为有利，是值得重视的一个优点。
3）EXB8..Series驱动芯片内集成了功率放大电路，这在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。
4）EXB8..Series的驱动芯片最大只能驱动1200V/300A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大电路，另外，从图7中可以看出，该类芯片为单电源供电，IGBT的关断负电压信号是由芯片内部产生的－5V信号，容易受到外部的干扰。因此对于300A以上的IGBT或者IGBT并联时，就需要考虑别的驱动芯片，比如三菱公司的M57962L等。
图8给出了EXB841驱动IGBT时，过电流情况下的实验波形。可以看出，正如前面介绍过的，由于EXB8..Series芯片内部具备过流保护功能，当IGBT过流时，采用了软关断方式关断IGBT，所以IGBT中电流是一个较缓的斜坡下降，这样一来，IGBT关断时的di/dt明显减少，这在一定程度上减小了对控制电路的过流保护性能的要求。

2.3M579..Series（MITSUBISHI公司生产）
M579..Series是日本三菱公司为IGBT驱动提供的一种IC系列，表7给出了这种系列的几种芯片的基本应用特性（其中有＊者为芯片内部含有Booster电路）。
在M579..Series中，以M57962L为例做出一般的解释。随着逆变器功率的增大和结构的复杂，驱动信号的抗干扰能力显得尤为重要，比较有效的办法就是提高驱动信号关断IGBT时的负电压，M57962L的负电源是外加的（这点和EXB8..Series不同），所以实现起来比较方便。它的功能框图和图6所示的EXB8..Series功能框图极为类似，在此不再赘述。图9给出了M57962L在驱动大功率IGBT模块时的典型电路图。在这种电路中，NPN和PNP构成的电压提升电路选用快速晶体管（tf≤200ns），并且要有足够的电流增益以承载需要的电流。

在使用M57962L驱动大功率IGBT模块时，应注意以下三个方面的问题：
1）驱动芯片的最大输出电流峰值受栅极电阻Rg的最小值限制，例如，对于M57962L来说，Rg的允许值在5Ω左右，这个值对于大功率的IGBT来说高了一些，且当Rg较高时，会引起IGBT的开关上升时间td(on)、下降时间td(off)以及开关损耗的增大，在较高开关频率（5kHz以上）应用时，这些附加损耗是不可接受的。
2）即便是这些附加损耗和较慢的开关时间可以被接受，驱动电路的功耗也必须考虑，当开关频率高到一定程度时（高于14kHz），会引起驱动芯片过热。
3）驱动电路缓慢的关断会使大功率IGBT模块的开关效率降低，这是因为大功率IGBT模块的栅极寄生电容相对比较大，而驱动电路的输出阻抗不够低。还有，驱动电路缓慢的关断还会使大功率IGBT模块需要较大的吸收电容。
以上这三种限制可能会产生严重的后果，但通过附加的Booster电路都可以加以克服，如图9所示。

从图10（a）可以看出，在IGBT过流信号输出以后，门极电压会以一个缓慢的斜率下降。图10（b）及图10（c）给出了IGBT短路时的软关断过程（集电极－发射极之间的电压uCE和集电极电流iC的软关断波形）。
3结语
随着电力电子技术的快速发展，三相逆变器的应用变得非常广泛。近年来，随着IGBT制造技术的提高，相继出现了电压等级越来越高、额定功率越来越大的单管、两单元IGBT模块及六单元IGBT模块，同时性能价格比的提高使得IGBT在三相逆变器的设计中占有很大的比重，成为许多设计人员首选的功率器件。随之而来的是IGBT的驱动芯片也得到了很大的发展，设计人员、生产厂家都给予了高度重视，小型化、多功能集成化成为人们不断追求的目标。相信随着制造技术的发展，将会研制出更多更好的IGBT驱动芯片，并得到广泛的应用。

参考文献

[1]B.K.博斯编，姜建国译.电力电子学与变频传动[M].江苏徐州:中国矿业大学出版社，1999.
[2]秦贤满编著.电力半导体器件标准应用指南[M].北京:中国标准出版社，2000.
[3]日本三菱电气.第三代IGBT和智能功率模块应用手册及DATABOOK，1998.