0 引言
隨著電力電子技術(shù)朝著大功率、高頻化、模塊化發(fā)展，絕緣柵雙極品體管(IGBT)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻器、電機控制以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域中。IGBT是復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件，兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點：輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，通態(tài)壓降小，工作頻率高和動態(tài)響應(yīng)快。目前，市場上500~3000V，800～l800A的IGBT，因其耐高壓、功率大的特性，已成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件。
1 驅(qū)動保護(hù)電路的原則
由于是電壓控制型器件，因此只要控制ICBT的柵極電壓就可以使其開通或關(guān)斷，并且開通時維持比較低的通態(tài)壓降。研究表明，IGBT的安全工作區(qū)和開關(guān)特性隨驅(qū)動電路的改變而變化。因此，為了保證IGBT可靠工作，驅(qū)動保護(hù)電路至關(guān)重要。
IGBT驅(qū)動保護(hù)電路的原則如下。
(1)動態(tài)驅(qū)動能力強，能為柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖；
(2)開通時能提供合適的正向柵極電壓(12~15V)，關(guān)斷時可以提供足夠的反向關(guān)斷柵極電壓(一5V)；
(3)盡可能少的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；
(4)足夠高的
輸入輸出電氣隔離特性，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣；
(5)出現(xiàn)短路、過流的情況下，具有靈敏的保護(hù)能力。
目前，在實際應(yīng)用中，普遍使用驅(qū)動與保護(hù)功能合為一體的IGBT專用的驅(qū)動模塊。
2 集成驅(qū)動模塊
為了解決IGBT的可靠驅(qū)動問題，世界上各廠家丌發(fā)出了眾多的IGBT集成驅(qū)動模塊。如日本富士公司的EXB系列，三菱電機公司的M57系列，三社電機公司的GH系列，美國國際整流器公司的TR系列，Unitrode公司的UC37系列以及國產(chǎn)的HL系列。以下是幾種典型的集成驅(qū)動模塊。
2.1 EXB841模塊的分析
EX841高速驅(qū)動模塊為15腳單列直插式結(jié)構(gòu)，采用高隔離電壓光耦合器作為信號隔離，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖l所示，其工作頻率可達(dá)40 kHz，可以驅(qū)動400 M600 V以內(nèi)及300 A/l200 V的IGBT管，其隔離電壓可達(dá)2500AC/min，工作電源為獨立電源20±1V，內(nèi)部含有一5V穩(wěn)壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅(qū)動電壓，關(guān)斷時提供一5V的偏置電壓，使其可靠關(guān)斷。當(dāng)腳15和腳14有10 mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT在1μs內(nèi)導(dǎo)通；而當(dāng)腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使IGBT關(guān)斷；若ICBT導(dǎo)通時因承受短路電流而退出飽和，Vce迅速上升，腳6懸空，腳3電位在短路后約3．5μs后才開始軟降。
EXB841典型應(yīng)用圖如圖2所示，電容C1、C2用于吸收高頻噪音。當(dāng)腳3輸出脈沖的同時，通過快速二極管D1檢測IGBT的C—E間的電壓。當(dāng)Vce>7V時，過流保護(hù)電流控制運算放大器，使其輸出軟關(guān)斷信號，在10μs內(nèi)將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護(hù)電路，一旦產(chǎn)生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護(hù)信號輸出，經(jīng)過一定延時，以防止誤動作和保證進(jìn)行軟關(guān)斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實現(xiàn)保護(hù)。
缺點：EXB84l過流保護(hù)閥值過高，Vce>7V時動作，此時已遠(yuǎn)大于飽和壓降；存在保護(hù)肓區(qū)；在實現(xiàn)止常關(guān)斷時僅能提供一5V偏壓，在開關(guān)頻率較高、負(fù)載過大時，關(guān)斷就顯得不可靠；無過流保護(hù)自鎖功能，在短路保護(hù)時其柵壓的軟關(guān)斷過程被輸入的關(guān)斷信號所打斷。
2．2 M57962L模塊的分析
M57962AL是一種14腳單列直捕式結(jié)構(gòu)的厚膜驅(qū)動模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。它由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復(fù)位電路以及門關(guān)斷電路組成，驅(qū)動功率大，町以驅(qū)動600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模塊。
M5796AL具有高速的輸入輸出隔離，絕緣電壓也可達(dá)到AC 2500V/min；輸入電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；內(nèi)部有定時邏輯短路保護(hù)電路，同時具有延時保護(hù)特性；采用雙電源供電方式，相對于EXB84l來說，雖然多使用一個電源．但I(xiàn)GBT可以更可靠地通斷。
典型應(yīng)用圖如圖4所示。當(dāng)驅(qū)動信號通過腳14和腳13時，經(jīng)過高速光耦隔離，由M57962AL內(nèi)置接口電路傳輸至功率放大極，在M57962AL的腳5產(chǎn)生+15V開柵和一10V關(guān)柵電壓，驅(qū)動IGBT通斷。當(dāng)腳1檢測到電壓為7V時，模塊認(rèn)定電路短路，立即通過光耦輸出關(guān)斷信號，使腳5輸出低電平，從而將IGBT的G—E兩端置于負(fù)向偏置，可靠關(guān)斷。同時，輸出誤差信號使故障輸出端(腳8)為低電平，從而驅(qū)動外接的保護(hù)電路工作。延時2～3s后，若檢測到腳13為高電平，則M57962AL恢復(fù)工作。穩(wěn)壓管DZ1用于防止D1擊穿而損壞M57962AL，Rg為限流電阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以確保可靠通斷。
比較：與EXB841相比，M57962AL需要雙電源(+15V，一1OV)供電，外周電路復(fù)雜。而正是因為M57962AL可輸出一10V的偏壓，使得IGBT可靠地關(guān)斷；另外，M57962AL具有過流保護(hù)自動閉鎖功能，并且軟關(guān)斷時間可外部調(diào)節(jié)，而EXB84l的軟關(guān)斷時間無法調(diào)節(jié)。所以M57962AL較EXB841更安全、可靠。
2.3 HL402模塊的分析
HL402是17腳單列直插式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置有靜電屏蔽層的高速光耦合器實現(xiàn)信號隔離，抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，隔離電壓高。它具有對IGBT進(jìn)行降柵壓、軟關(guān)斷雙重保護(hù)功能，在軟關(guān)斷及降柵壓的同時能輸出報警信號，實現(xiàn)封鎖脈沖或分?jǐn)嘀骰芈返谋Ｗo(hù)。它輸出驅(qū)動電壓幅值高，正向驅(qū)動電壓可達(dá)15～17V，負(fù)向偏置電壓可達(dá)10～12V，因而可用來直接驅(qū)動容量為400A/600V及300A/1200V以下的IGBT。
HL402結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5中，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器，它用來實現(xiàn)與輸入信號的隔離。由于它具有靜電屏蔽，因而顯著提高了HL402抗共模干擾的能力。圖5中U1為脈沖放大器，S1、S2實現(xiàn)驅(qū)動脈沖功率放大，U2為降柵壓比較器，正常情況下由于腳9輸入的IGBT集電極電壓VCE不高于U2的基準(zhǔn)電壓VREF，U2不翻轉(zhuǎn)，S3不導(dǎo)通，故從腳17和腳16輸入的驅(qū)動脈沖信號經(jīng)S2整形后不被封鎖。該驅(qū)動脈沖經(jīng)S2、S2放大后提供給IGBT使其導(dǎo)通或關(guān)斷，一旦IGBT退飽和，則腳9輸入集電極電壓給IGBT使其導(dǎo)通或關(guān)斷，并且腳9輸入的集電極電壓采樣信號VCE高于U2的基準(zhǔn)電壓VREF，比較器U2翻轉(zhuǎn)輸出高電平，使S3導(dǎo)通，由穩(wěn)壓管DZ2將驅(qū)動器輸出的柵極電壓VGE降低到10V。此時，軟關(guān)斷定時器U3在降柵壓比較器U2翻轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的時間后，輸出正電壓使S4導(dǎo)通，將柵極電壓軟關(guān)斷降到IGBT的柵射極門限電壓，給IGBT提供一個負(fù)的驅(qū)動電壓，保證IGBT可靠關(guān)斷。
HL402典型應(yīng)用圖如圖6所示。在實際電路中，C1、C2、C3、C4需盡可能地靠近H1402的腳2、腳l、腳4安裝。為了避免高頻耦合及電磁干擾，由HL402輸出到被驅(qū)動IGBT柵射極的引線需要采用雙絞線或同軸電纜屏蔽線，其引線長度不超過1m。腳9和腳13接至IGBT集電極的引線必須分開走，不得與柵極和發(fā)射極引線絞合，以免引起交叉干擾。光耦合器L1可輸入脈沖封鎖信號，當(dāng)L1導(dǎo)通時，HLA02輸出脈沖立即被封鎖至-10V。光耦合器L2提供軟關(guān)斷報警信號，它在軀動器軟關(guān)斷的同時導(dǎo)通光耦合器L3，提供降柵壓報警信號。使用中，通過調(diào)整電容器C5、C6、C7的值，可以將保護(hù)波形中的降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關(guān)斷斜率時間調(diào)整至合適的值。在高頻應(yīng)用時，為了避免IGBT受到多次過電流沖擊，可在光耦合器L2輸出數(shù)次或1次報警信號后，將輸入腳16和腳17間的信號封鎖。
小結(jié)：以上三者中，M57962AL和HL402都采用陶瓷基片黑色包裝，EXB841采用覆銅板黃色包裝，由于陶瓷基片的散熱性能和頻率特性比覆銅板好，HL402的負(fù)載能力和散熱性能最好，加之合理的布局設(shè)計，在三者中的工作頻率最高，保護(hù)功能最全，而EXB841和M57962AL都沒有降柵壓保護(hù)功能。另外，HL402和M57962AL提供負(fù)偏壓的穩(wěn)壓管，放于外部，既有靈活性又提高了可靠性，而EXB841的穩(wěn)壓管在內(nèi)部，經(jīng)常因穩(wěn)壓管的損壞而失效。因此，HL402憑借其優(yōu)越的性能可以彌補另外兩者的缺陷。
2．4 GH-039模塊的分析
GH-039采用單列直插式12腳封裝，功耗低、工作中發(fā)熱很小，可以高密度使用它采用單電源工作，內(nèi)置高速光耦合器，帶有軟關(guān)斷過流保護(hù)電路，過流保護(hù)除閉鎖自身輸出外，還給出供用戶使用的同步輸出端。它可以用來直接驅(qū)動300A/600V以下的IGBT模塊。
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，工作原理與EXB和M57系列模塊相類似，這里不再贅述。而與EXB系列和M57系列的模塊不同的是該模塊已含有保護(hù)后發(fā)送報警或動作信號的光耦合器，所以使用中不需要像EXB和M57系列的模塊外接光耦合器，因而更加方便，其性能比EXB和M57系列的模塊在保護(hù)性能上更加優(yōu)越；在可靠性方面，由于GH-039是單電源供電，不能提供負(fù)偏壓，從而導(dǎo)致ICBT不能可靠地關(guān)斷。與HL402相比，CH-039保護(hù)功能還不完善，它也同EXB841和M57962AL一樣無降柵壓保護(hù)。因此，GH-039驅(qū)動模塊也是有缺陷的。
GH-039典型接線圖如圖8所示。工作電源VCC為26V；為了保持電壓穩(wěn)定，濾波電容器應(yīng)盡可能靠近GH一039模塊安裝和使用，且其電容值不能小于10μF，并應(yīng)選用高質(zhì)量的電容；串入GH-039腳12與ICBT集電極之間的二極管D1，應(yīng)選超快速恢復(fù)二極管，并且要保證其反向耐壓不低于ICBT的集電極與柵極之間的額定電壓；為防止所連接的過流保護(hù)端子光電隔離器的誤動作，應(yīng)在D1與GH一039的腳12之間串入100Ω的電阻；接于腳lO與腳12之間的D2選用超快速恢復(fù)二極管，其反向耐壓可以低于IGBT的集射極間耐壓。
2．5 其他驅(qū)動器
(1)IR系列驅(qū)動器 IR系列驅(qū)動器主要是為驅(qū)動橋臂電路而設(shè)計的，該芯片具有14腳，DIP封裝。它具有過流保護(hù)和欠壓保護(hù)功能，特別是它具有自舉浮動電源大大簡化了驅(qū)動電源的設(shè)計，只用一路電源即可驅(qū)動多個功率器件。其缺點是本身不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，當(dāng)用于驅(qū)動橋式電路時，由于米勒效應(yīng)的作用，在開通與關(guān)斷時刻，容易在柵極上產(chǎn)生干擾，造成橋臂短路；另外IR系列驅(qū)動器采用了不隔離的驅(qū)動方式，在主電路的功率器件損壞時，高壓可能直接串入驅(qū)動器件，致使驅(qū)動模塊及前極電路損壞。
(2)UC37系列驅(qū)動器 該系列驅(qū)動器一般由UC3726和UC3727兩片芯片配對使用，其工作頻率較高，但在兩芯片之間需增加脈沖變壓器，給電路的使用和設(shè)計帶來
不便，因此該系列驅(qū)動器在我同并未得到推廣。
3 結(jié)語
通過以上分析比較，可得到如下結(jié)論。
(1)以上6個系列的驅(qū)動器均能實現(xiàn)對IGBT的驅(qū)動與保護(hù)；
(2)EXB84l外周電路簡單，僅需單電源供電，是最早進(jìn)入我國市場的ICBT驅(qū)動模塊，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛；
(3)EXB841與M57962AL在IGBT關(guān)斷期間均能在柵極上施加負(fù)電壓，進(jìn)一步保證了IGBT的可靠關(guān)斷；
(4)EXB841、M57962AL、GH一039和HL402都是自身帶有對IGBT進(jìn)行退飽和及過流保護(hù)功能的ICBT驅(qū)動模塊，且都是通過檢測IGBT集射極間的電壓來完成保護(hù)功能的。但EXB841、M57962AL、GH一039在ICBT出現(xiàn)退飽和或過流時，僅可進(jìn)行軟關(guān)斷的保護(hù)。而HL402不但能進(jìn)行軟關(guān)斷保護(hù)，還可進(jìn)行降柵壓保護(hù)。因此，HL402是四者中保護(hù)功能最強，保護(hù)功能設(shè)計最合理和保護(hù)性能使用最方便的IGBT驅(qū)動器；
(5)驅(qū)動相同個數(shù)的IGBT功率開關(guān)時，IR系列所需工作電源最少，但不具有負(fù)偏壓，容易造成橋臂短路，適用于小功率驅(qū)動場合。