IGBT驱动的作用与原理

IGBT驱动电路的作用主要是将单片机脉冲输出的功率进行放大，以达到驱动IGBT功率器件的目的。在保证IGBT器件可靠、稳定、安全工作的前提，驱动电路起到至关重要的作用。IGBT是MOSFET管与双极晶体管的复合器件，既有MOSFET易驱动的优点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点，其频率特性介于MOSFET管与功率晶体管之间，可正常工作于数十千赫兹的频率范围内。为了让IGBT安全、可靠地工作，其栅极应连接与之匹配的驱动电路。IGBT驱动的两个功能， 实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离;提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。

一、驱动电路的要求
(1)、提供适当的正反向电压，使IGBT能可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若ce过大，则负载短路时其c随ce增大而增大，对其安全不利，使用中选GE《15V为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般选UGE -- 5V为宜。
(2)、IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下，IGBT的开频率不宜过大，因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压，及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
(3)、IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
(4)、IGBT驱动电路中的电阻G对工作性能有较大的影响，G较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损20耗；Rc较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。Rc的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT其Rc值较大。
(5)、驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，G -- E断不能开路。

二、常见IGBT驱动电路
1、脉冲变压器式

图1 采用脉冲变压器隔离驱动IGBT

该方式是利用变压器的工作原理，由次级感应电压直接驱动IGBT，如上图1所示。由于变压器具有阻抗变换与隔离作用，所以这种驱动方式不仅简化了驱动电路，还解决了驱动电路的供电与 IGBT不共地的连接问题。

2、采用光耦合器及CMOS 驱动IGBT

图2 采用光耦合器及CMOS 驱动IGBT
电路如上图2所示，该电路自身带过流保护功能，光耦合器将脉冲控制电路与驱动电路隔离，4011 的四个与非门并联工作提高了驱动能力，互补晶体管V1、V2 降低驱动电路阻抗，通过R1、C1 与R2、C2 获得不同的正、反向驱动电压，以满足各种IGBT 对栅极驱动电压的要求。该电路由于受光耦合器传输速度的影响，其工作频率不能太高，同时受4011 型CMOS电路最高工作电压的限制，使+VGE 和-VGE 的幅值相互牵制，并受到限制。

3、 用专用混合集成驱动电路
目前，国外很多生产IGBT 器件的公司，为了解决IGBT 驱动的可靠性问题，纷纷推出IGBT专用驱动电路，如美国MOTOROLA 公司的MPD 系列、日本东芝公司的KT 系列、日本富士公司的EXB 系列等。这些驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT 的最优驱动，但一般价格比较昂贵，对于普通用户很难接受。

三、IGBT参数对驱动电路设计的要求
IGBT 的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE 和栅极电阻RG 的大小，对IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表1 所示。

表1 门极驱动条件与器件特性的关系

1、 正偏压+VGE 的影响
当VGS 增加时，通态电压下降，IGBT 的开通能量损耗下降，但是VGE 不能随意增加，因为VGE 增加到一定程度之后对IGBT 的负载短路能力及dVCE/dt 电流有不利影响。
2、 负偏压-VGE 的影响
负偏压也是很重要的门极驱动条件，它直接影响IGBT 的可靠运行。虽然-VGE 对关断能耗没有显着影响，担负偏压的增高会使漏极浪涌电流明显下降，从而避免过大的漏极浪涌电流使IGBT 发生不可控的擎住现象。
3、 门极电阻RG 的影响
门极电阻增加，使IGBT 的开通与关断能耗均增加，门极电阻减小又使di/dt 增大，可能引发IGBT 误导通，同时RG 上的能耗也有所增加。所以通常RG 一般取十几欧到几百欧之间。
因此，为了使IGBT 能够安全可靠得到通和关断，其驱动电路必须满足一下条件：
（1）、由于是容性输入阻抗，IGBT 对门极电荷集聚很敏感，因此要保证有一条低阻抗值得放电回路。
（2）、门极电路中的正偏压应为+12-15V，负偏压-2--10V。
（3）、驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。
（4）、门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT 的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。