高性能IGBT驅動電路的設計

馮志翔 謝家昊

（東南大學，江蘇 南京211189）

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是一種電壓控制、全控型的復合器件。和其他電力電子器件相同，其使用依賴于相匹配的驅動電路。本文從電動汽車用電機驅動系統的要求出發，針對當前一些驅動電路存在的不足之處，設計了一種具備過流、過壓和欠壓保護功能的驅動電路，并進行了實際測試。同時，在電路設計過程中，筆者用PSpice軟件進行了仿真輔助設計，取得了良好的效果。

1 IGBT驅動電路的要求

（1）合適的正反向電壓。在IGBT關斷時，由于電路其他部分的影響，有可能使IGBT誤導通，發生故障，而反向偏壓可以保證IGBT可靠關斷。同時用PSpice進行仿真時發現，反向偏壓對IGBT開關速度有明顯的影響，這點在設計時需要注意。

（2）合適的柵極電阻。柵極電阻主要有兩個作用，一是可以對由于線路電感和寄生電容產生的振蕩起阻尼作用，二是可以調節開關速度。在用PSpice進行仿真過程中發現，隨著柵極電阻的增大，開關速度會下降。

（3）具有柵極電壓限幅電路。為了防止柵極電壓過高而導致元件被擊穿，驅動電路中還應當設計有柵極電壓限幅電路。一般采用穩壓二極管即可滿足要求。

2 具體驅動電路的設計

2．1 集成驅動模塊的選擇

經過比較不同集成驅動模塊，最終選擇日本三菱公司生產的厚膜式IGBT驅動保護模塊M57962L。它由光電耦合電路、接口電路、保護電路（短路檢測、復位及柵極關斷）和驅動級4部分組成。實驗中驅動IGBT型號為ff300r12kt3，母線電壓540V。

電路原理圖如圖1所示。

圖1 電路原理圖

電路具體參數主要涉及以下幾個方面的問題：

（1）對集電極額定電流300A的IGBT來說，VCC選擇＋12～＋15V比較合適，在這一點通態接近飽和值，是IGBT工作的最佳點。而為使IGBT在關斷期間可靠截止，給處于截止狀態的IGBT外加－10V左右的反向柵壓VEE比較合適。同時用PSpice進行仿真時發現，反向偏壓對IGBT開關速度有明顯影響，這點在設計時需要注意。本電路中VCC＝＋14V，VEE＝－10V。

（2）在柵極通過穩壓二極管將柵極正向電壓控制在18V以內，反向電壓控制在－10V以內，從而保證了IGBT工作在安全區內，同時確保IGBT柵極不被擊穿。

（3）電路在剛開始工作時就已經通電，但由于IGBT還沒開始工作，G極電荷無法釋放，有可能引起元件擊穿，因此需要在G、E極之間接一電阻作為電荷的釋放通道，我們選擇了10kΩ電阻。

2．2 柵極驅動電阻的選擇

柵極驅動電阻的取值非常重要，適當數值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減短開關開通時間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。我們通過仿真和實驗相結合的方法確定了較優的柵極電阻。

首先，使用PSpice進行了仿真測試，定性地確定柵極電阻的大致數值。

從仿真結果（圖2～圖4）可以看出，在沒有柵極電阻時，驅動波形振蕩嚴重，無法正常工作。加一很小的柵極電阻后，便可以很好地抑制振蕩。但隨著柵極電阻增大，開關速度下降，當柵極電阻增加到75Ω時，驅動脈沖上升和下降時間都已經在10μs以上，不能滿足快速性要求。根據仿真結果，柵極電阻為5Ω時驅動脈沖已經沒有振蕩，同時上升和下降時間短，因此選擇5Ω是合適的。

接下來，我們通過實驗測定最佳的柵極電阻值。柵極電阻值為5Ω時驅動器輸出波形的變化如圖5所示。

可以看出，實際調試結果跟仿真結果基本一致，最終柵極電阻選擇5Ω。

3 驅動電路的保護措施

電動汽車用電機驅動系統中，常見故障有過流，母線過壓、欠壓等，這些故障將嚴重影響電動汽車的安全、高效運行，因此有必要專門采取保護措施。

3．1 過流保護

圖 2 RG=0Ω

圖 3 RG=5Ω

圖 4 RG=75Ω

圖5 驅動器輸出波形變化圖

當IGBT流過的電流大于本身最大允許值時，會發生過熱甚至燒毀等嚴重故障，因此，過流保護電路的作用十分重要。我們利用M57962L內部具有的過流短路保護功能，當IGBT發生過流時，其集電極電壓升高，二極管D1截止，M57962L即可輸出故障信號。值得注意的是，IGBT正常工作時通態電壓一般為2．5～3．0V。而M57962L的過流檢測端的閾值電壓UCS設計為10V。如此高的閾值電壓使電流保護功能很難起效，因此必須采取措施降低過流保護閾值，方法是在如圖1腳檢測端串聯一穩壓管Z1。在本項目研究中，設定的管壓保護值為1．8V，對應的保護電流值為300A，所以采用的穩壓管Z1壓降為VZ1＝U1－VCE－VD1＝7．5V。

過流時驅動電路輸出的脈沖也發生變化，此時，輸出波形在低電平基礎上出現周期性的細長尖波。其作用為，輸出低電平可使IGBT截止，而短暫的尖峰可嘗試性導通IGBT，若仍檢測到過流則恢復為低電平，一個周期后再嘗試導通，直至過流故障解除才恢復正常的驅動功能。

3．2 過壓、欠壓保護

直流母線電壓也是影響IGBT工作狀態的主要因素。當直流母線實際電壓高于電壓限值，易導致母線電容或IGBT擊穿；當實際電壓低于電壓限值，易造成電機實際輸出功率降低，電流增大。因此，本項目設計了相應的欠壓、過壓檢測電路。

圖6所示電路為直流母線的過壓、欠壓檢測部分，主要利用電壓比較器LM339通過電壓比較來實現過壓、欠壓檢測。圖中R1和R2分別為采樣電阻，Power和PGND端接待測直流母線，經采樣電阻分壓后接入比較器。之后在比較器上將采樣值與欠壓閾值Vref－、過壓閾值Vref＋進行比較，若U0小于欠壓閾值或大于過壓閾值，LM339將輸出低電平，使光偶內二極管不導通，Out端輸出低電平。我們便可由此判定母線電壓是否在允許范圍內。

圖6 欠壓、過壓保護電路

4 結語

本文提出一種基于M57962L的高性能驅動電路，具備過流、過壓和欠壓保護功能，使電機驅動系統安全可靠；且通過仿真和實驗相結合的方法，選擇了最優柵極電阻，使電機驅動系統能更加高性能地工作。

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