三相逆变器中IGBT的几种驱动电路的分析.docx

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三相逆变器中IGBT的几种驱动电路的分析

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

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。

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

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

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、

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

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。

反向偏压应该在一5〜一15V之间。

IGBT的开通和关断是通过栅极电路的

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。

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△UGE、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，

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

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：

接一个0.1卩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/10卩S）。

可以看出，由于TLP250

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，

口

号，

般由过电流发生到IGBT可靠关断应在10卩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。

随着有些

2.2EXB8..Series（FUJIELECTRIC公司生产）

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

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

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）内置的光耦可隔离咼达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w

表5给出了

EXB8..Series工作时

图6给出了EXB8..Series的功能方框图

EXB8..Series的电气特性。

表6给出了的推荐工作条件。

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

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卩s,高速型（EXB840、

EXB841）<1卩S,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

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33卩F，对于EXB851和EXB841

来说，取值为47卩F。

该电容用来吸收由电源接线阻抗而弓起的供电电压变化。

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。

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

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

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

在M579..Series

有＊者为芯片内部含有Booster电路）。

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

时的负电压，M57962L的负电源是外加的（这点和

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5Q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.