光耦驅動ΙGBT電路及應用

康 燕 廣東珠海格力電器股份有限公司

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光耦驅動ΙGBT電路及應用

康 燕 廣東珠海格力電器股份有限公司

【文章摘要】

【關鍵詞】

光耦；IGBT 驅動；米勒效應

應用于電機調速驅動裝置以及電子計算機的不間斷電源等設備的ΙGBT（Ιnsulated Gate BipolarTransistor，絕緣柵雙極晶體管），隨著今年來人們對節能、裝置小型化、輕量化要求的不斷提高，而急速地發展起來。具有控制簡單、驅動功率低、高輸入阻抗、開關狀態損耗小、開關速度高、較大的載流能力等優點。除了 ΙGBT 自身的特性參數以外，驅動電路的各項特性對保證 ΙGBT 功率電路高效、穩定、安全的工作都起著至關重要的作用。光耦隔離驅動，此種方法采用光耦傳輸驅動信號并進行放大，對通斷時間寬度無限制，工作速度快、價格便宜，是目前驅動ΙGBT模塊廣泛應用的一種方式。

1.IGBT驅動電路的基本要求

ΙGBT 的驅動電路是 ΙGBT 與控制電路之間的接口，實現對控制信號的隔離、放大和保護，驅動電路對 ΙGBT 的正常工作及其保護起著非常重要的作用，驅動電路性能的優劣是其可靠工作、正常運行的關鍵，設計合理的驅動電路應具有如下基本要求。

（1） ΙGBT 處于主電路地位，它的集電極直接接較高的工作電壓，而驅動電路工作電壓低，因此驅動電路應具有對地電位浮動的直流供電電源。故要求驅動電路具有隔離輸入、輸出信號的功能，同時要求在驅動電路內部信號傳輸無延時或延時很短。

（2） 在柵極回路中必須串聯合適的電阻RG，用于控制VGE的前后沿陡度，進而控制ΙGBT器件的開關損耗。RG增大，VGE前后沿變緩，ΙGBT開關過程延長，開關損耗增加；RG減小，VGE前后沿變陡，ΙGBT開關損耗降低，同時集電極電流變化率增大。較小的柵極電阻使得ΙGBT開通時的di/dt變大，導致較高的du/dt，增加了續流二極管恢復時的浪涌電壓。因此，在設計柵極電阻時要兼顧到這兩個方面的問題。

（3） 驅動電路應具有過電壓保護和 du/ dt 的保護能力。通常用兩個極性相反的齊納穩壓二極管串聯組成限幅器，確保ΙGBT 基極不被擊穿。由于 ΙGBT 的安全工作區域較寬，在一些電路中不設緩沖電路。

（4） 當發生短路或過電流故障時，理想的驅動電路還應該具備完善的短路保護能力。通常采用檢出過電流信號切斷ΙGBT 柵極信號來進行保護。

2.光耦驅動IGBT的原理

ΙGBT具有MOS門極結構，在開關時為了對該門極進行充放電，需要門極電流從中流過，圖1標示門極充電電荷量的特性。門極充電電荷量特性標示驅動ΙGBT所需要的電荷量，在計算平均驅動電流和驅動功率時使用。光耦驅動電路的原理圖和電壓電流波形如圖2、圖3所示。驅動電路的原理是通過開關S1、 S2交替導通正電壓電源和負電壓電源，開關切換時對門極充電放電的電流即為驅動電流，如圖3中以電流波形形式所包含的面積與圖1中的充放電電荷量相應。

圖1　門極充電電荷量特性（動態輸入特性）

圖2　光耦驅動ΙGBT電路原理圖

圖3　電壓電流波形

驅動電流的峰值ΙGP可由以下近似公式求出。

+VGE ：正電源電壓

-VGE：負電源電壓

RG：驅動電路的門極電阻

Rgint：模塊內部的門極電阻

從門極充電電荷量特性可知，從0V開始的上升部分的斜率大體上與輸入電容Cies等效，而負電壓領域可以作為這個部分的延長來考慮。因此，驅動電流的平均值ΙG，如圖1所示可利用門極充電電荷量特性作下述計算。

fC：開關頻率

Qg：從0V到VGE為止的充電電荷量

Cies：ΙGBT的輸入電容

設計時要保證驅動電路的輸出段上能流過由這些近似公式計算得出的電流ΙGP和±ΙG。

選擇ΙGBT的門極驅動光耦時注意關鍵參數ΙOH、ΙOL，高輸出驅動電流，可確保ΙGBT能迅速導通。綜合考慮性價比因素，一般有以下計算：

ΙOH、 ΙOL≧ΙG×1.1

ΙOH：“H”時輸出電流峰值

ΙOL：“L”時輸出電流峰值

3.光耦驅動IGBT應用

采用光耦驅動電路具有成本低、電路結構簡單等優點；但其主要缺點在于驅動分立的ΙGBT模塊時光耦驅動米勒效應較為明顯。ΙGBT的集電極和柵極之間存在一個寄生電容Cres，該寄生電容稱作米勒電容。正是由于該寄生電容的存在，使在ΙGBT在高速開關時即dv/dt較快時，會使變化的電流流過對應的米勒電容，從而使本應是低電平的橋臂出現一個電壓尖峰。該尖峰過高且存在于死區之外使可能會引起低電平一側的ΙGBT導通，從而會使上下橋臂直通而燒壞ΙGBT。

4.總結

光耦合適的驅動電流是決定ΙGBT工作可靠性和穩定性的前提條件，在選擇和設計時需要充分進行理論計算。消除光耦驅動米勒效應則需要通過運用豐富的理論知識去認真分析、并對產生的問題能夠深入探討研究，再通過反復的驗證試驗。

【參考文獻】

［1］胡浩.智能功率集成電路中部分模塊的研究［D］.成都: 電子科技大學，2012.

［2］羅毅飛，劉賓禮，汪波，等.IGBT 開關機理對逆變器死區時間的影響［J］.電機與控制學報，2014，18 （5） :62-68.

介紹了構成IGBT驅動電路的基本要求，分析光耦驅動門極電路原理及理論計算，闡述了采用光耦驅動產生米勒效應的原理。最后，給出了消除米勒效應的方法以及通過實驗驗證了消除米勒效應的效果。