三相逆变器中IGBT的几种驱动电路的分析

　　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 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 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～ 20 V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～ － 15 V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 Δ UGE、 栅 极 总 电 荷 QG和 工 作 频 率 fs的 影 响 。 电 源 的 大 峰 值 电 流 IGPK为 ：

    在 本 文 中 ， 我 们 将 对 几 种 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. 1 TLP250（ 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） ： 5 mA（ 大 ） ；
    2） 电 源 电 流 （ ICC） ： 11 mA（ 大 ） ；
    3） 电 源 电 压 （ VCC） ： 10～ 35 V；
    4） 输 出 电 流 （ IO） ： ± 0.5 A（ 小 ） ；
    5） 开 关 时 间 （ tPLH /tPHL） ： 0.5 μ s（ 大 ） ；
    6） 隔 离 电 压 ： 2 500 Vpms（ 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 0.1 μ F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 1 cm。
　　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 24 V时 ， TR1和 TR2的 Icmax≥ 24/Rg。
　　图 5给 出 了 TLP250驱 动 IGBT时 ， 1 200 V/200 A的 IGBT上 电 流 的 实 验 波 形 （ 50 A/10 μ s） 。 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 10 μ s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 。
2.2 EXB8..Series（ FUJI ELECTRIC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 10 kHz开 关 频 率 工 作 的 IGBT， 高 速 系 列 可 用 于 达 到 40 kHz开 关 频 率 工 作 的 IGBT） 。
    2） 内 置 的 光 耦 可 隔 离 高 达 2 500 V/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 ≤ 4 μ s
      2） 高 速 系 列 ： 驱 动 电 路 中 的 信 号 延 迟 ≤ 1.5 μ s
　　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 6 EXB8..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 400 A， 电 压 高 达 1 200 V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） ≤ 4 μ s， 高 速 型 （ EXB840、 EXB841） ≤ 1 μ s， 所 以 标 准 型 的 IC适 用 于 频 率 高 达 10 kHz的 开 关 操 作 ， 而 高 速 型 的 IC适 用 于 频 率 高 达 40 kHz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 1 m；
    — — 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 33 μ F， 对 于 EXB851和 EXB841来 说 ， 取 值 为 47 μ F。 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 大 只 能 驱 动 1 200V /300 A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－ 5 V信 号 ， 容 易 受 到 外 部 的 干 扰 。 因 此 对 于 300 A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. 3 M579..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≤ 200 ns） ， 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 大 输 出 电 流 峰 值 受 栅 极 电 阻 Rg的 小 值 限 制 ， 例 如 ， 对 于 M57962L来 说 ， Rg的 允 许 值 在 5 Ω 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 （ 5 kHz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 14 kHz） ， 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 。