高壓IGBT驅動1SP0635剖析

宋自珍

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412005）

1 概述

IGBT既具有功率MOSFET的高速開關及電壓驅動特性，又具有晶體管（GTR）低飽和電壓及易實現大電流的能力，在電力領域中具有廣泛應用。在IGB的應用中，大功率IGBT驅動起到了弱電控制強電的作用。國際市場上主要的驅動公司有Inpower和Power Integrations（PI）等。

1SP0635是為從1 200～3 300 V電壓等級高壓大功率IGBT特別設計的可靠、安全驅動，是PI公司在集成了第二代SCALE芯片的基礎上開發的即插即用型驅動器。驅動基于主-從原則并允許并聯IGBT模塊的安全操作，主驅動器可以不用從驅動而獨立驅動，也可以外帶最多2個從驅動器，同時實現3個并聯IGBT模塊的驅動。其輸出驅動電壓±15 V，柵極輸出最大電流±35A，驅動功率6 W。

2 驅動保護

2.1 內部結構

1SP0635V的基本結構如圖1所示，其具有Vce檢測及短路保護、集電極有源箝位、欠電壓保護等功能。

圖1 驅動器基本結構

2.2 短路保護

在1SP0635驅動上配備有Vce檢測電路。由于內部有60 V電源，其基準電壓可以達到50 V以上，如圖2所示。

此Vce檢測電路采用電阻網絡結構。IGBT關斷時，內部MOSFET開通，Ca電位被箝在低電位，比較器不輸出短路信號，當IGBT處于正常導通過程中，內部MOSFET關斷，集電極電壓給電容充電，電位接近IGBT通態壓降。當IGBT短路時，退出飽和區，集電極電壓升高，給Ca充電，當Ca上的電壓大于基準電壓，比較器輸出短路信號。短路信號及時通過邏輯芯片關斷柵極信號，同時，將故障信號傳至上層控制電路，做到很好的保護。

圖2 Vce檢測電路

2.3 有源箝位

IGBT在關斷時由于其自身電感和線路雜感的存在，會產生一定的電壓尖峰，而有源箝位電路的目標是箝住集電極電位，使其保持在正常水平，如果關斷時產生的電壓尖峰過高，則會使IGBT受到破壞。IGBT的柵極有源箝位是利用反饋原理，將IGBT關斷時的集電極電壓信號（通過反向擊穿TVS將電壓信號轉化為電流信號）反饋到柵極，對IGBT的關斷過程進行控制，從而實現對IGBT關斷過電壓的抑制。IGBT關斷時，通過調節集電極和柵極間的TVS管的反向擊穿電壓（BVR），可將電壓抑制在IGBT的安全工作區內。

圖3是1SP0635驅動配備的有源鉗位原理。如果集電極與柵極之間的電壓VCG低于TVS BVR時，則TVS處于截止狀態；如果集電極與柵極之間的電壓VCG高于TVS BVR時，TVS被擊穿時，電流通過兩級反饋，一級反饋通過二極管直接作用于柵極，一級通過電阻進入ACC電路作用于柵極，其抬高了柵極電壓VGE，從而把集電極電壓VCE控制在一定范圍內。隨著集電極反饋電流的減小，VGE慢慢降低直至IGBT完全關斷，延遲了關斷時間。當VCG小于箝位電壓時，TVS重新恢復到截止狀態，最終IGBT上的過電壓被箝位在TVS管的BVR水平。

圖3 有源鉗位基本電路

2.4 功能對比

1SP0635驅動相比于傳統的IGBT驅動在以下方面都有所改進。1SP0635中電源輸入15 V，內部電源模塊輸出16 V，經過推挽電路后，其輸出的驅動電壓仍可以達到15 V，保證了驅動的電壓幅值。驅動內部通過倍壓電路產生60 V的內部電壓，可以提高短路保護的基準電壓，有效防止了IGBT發生誤保護；開通電阻與關斷電阻相互獨立，可單獨設置；柵極鉗位使用上拉二極管鉗位，使柵極電壓不會超過15.7 V；具有有源箝位功能，防止關斷時電壓過高擊穿IGBT。

參考文獻：

［1］周志敏，紀愛華.IGBT驅動與保護電路設計及應用實例［M］.北京：機械工業出版社，2011.