IGBT驅動芯片IXDN404應用及改進

2.1 正常開通過程

當控制信號為高電平時，快速光耦6N137導通，經過一級反相，輸入IXDN404，輸出＋15V脈沖，IGBT正常導通。同時，由于光耦輸出為反相，V4截止，V5導通，C1由電源充電，C1電壓不會超過9V，這是因為IGBT正常導通時Vces不高于3V，二極管D2導通，A點電位箝位在8V，加上電阻R10的壓降，C點電位接近9V。Z1截止，V2截止，V1導通，B點電位接近20V；Z2截止，V3截止，D點電位接近B點電位。C1充電時間常數τ1=R9×C1=2.42μs，C1充電到9V的時間為

t1=τ1ln=1.45μs（1）

2.2 正常關斷過程

當控制信號為低電平，光耦輸出高電平，反相輸出低電平，由于Z3箝位IXDN404輸出脈沖為－5V，IGBT正常關斷。這時，V4導通，V5截止，C點電位保持在9V；Z1截止，V2截止，V1導通，B點電位接近20V；Z2截止，V3截止，D點電位接近B點電位。

2.3 保護過程

設IGBT已經導通，各點電位如2.1所說。當電路過流時，IGBT因承受大電流而退出電阻區，Vces上升，二極管D2截止，A點對電容C1的箝位作用消失；C點電位從9V上升，同時Z1反向擊穿，V2導通，V1截止，B點電位由R1和Rc以及IXDN404芯片內阻分壓決定，箝位在15V，柵壓降為10V。柵壓的下降可有效地抑制故障電流并增加短路允許時間。降柵壓運行時間為

t2=τ1ln=1.09μs（2）

如果在這段時間內，電路恢復正常，D2導通，A點繼續箝位，V2截止，V1導通，電路恢復2.1所說狀態。如果D2仍處于斷態，也就是故障電流仍然存在，C點電壓繼續上升，經過t2時間上升到13V，Z2反向擊穿，V3導通，電容C2通過電阻R12放電，D點與B點電位同時下降，IGBT柵壓逐漸下降，實現慢關斷過程，避免了正常關斷大電流時所引起的過電壓。慢關斷過程時間為t3，由C2和R12決定。由IXDN404工作電壓范圍為4.5～25V，τ2=R12×C2=4.84μs，可知

t3=τ2ln=5.83μs（3）

另外，在IGBT開通過程中，如果二極管D2不能及時導通，將造成保護電路的誤動作，因此D2要選擇快速二極管，也可通過適當增加Z1穩壓值和增大電阻R9以增大C1充電時間常數延長保護電路動作時間。但這與保護動作的快速性相矛盾，具體應用時要根據實際電路要求和功率器件的特性作出折中的選擇。

2.4 幾點說明

1）為使驅動功率達到最大，本電路將兩路輸入輸出并聯使用，最大驅動峰值電流可達8A，這個峰值電流是由電容Cc瞬間放電產生；

2）光耦6N137輸出為輸入反相，IXDN404為同相輸入輸出，為保證控制邏輯正確，中間需加一級反相器，也可采用帶反相的IXDI404；

3）圖2中可在E點處加入一個光耦，其輸出可作為短路保護信號送給控制邏輯，以封鎖本路及其它各路的PWM信號，確保主電路安全；

4）IXDN404驅動電路對脈沖信號非常敏感，實際操作時要保證連線盡量短，輸出要用雙絞線接IGBT，電路所用元器件也可采用貼片式，既縮小驅動電路體積，也提高了工作穩定度。

圖3為實測IGBT的門極驅動信號，其中通道1為輸入控制信號，通道2為輸出驅動信號。所用IGBT為仙童公司HGTG18N120BND。從圖中可以看出驅動電路延遲時間僅為100ns。其中圖3（d）為模擬IGBT過流時的保護波形，首先降柵壓運行，然后慢關斷，最后由于低電壓供電，IXDN404輸出驅動電壓封鎖在－2V左右。

（a）100kHz時的驅動波形

（b）100kHz時的上升過程

（c）100kHz時的下降過程

（d）20kHz時保護波形

圖3 電路實測驅動波形

3 結語

由IXDN404組成的IGBT驅動與保護電路可滿足IGBT驅動要求，其特點可歸納如下：

——驅動電源＋20V單路供電，驅動柵壓＋15V～－5V；

——最大驅動峰值電流可達8A，滿足大功率IGBT驅動要求；

——電路信號延遲時間短，工作頻率可以達到100kHz或者更高，可適應大多數電路需要；

——可實現過流保護及降柵壓慢關斷功能；

——電路成本相對較低。

綜上所述，這種驅動保護電路是一種低成本、高性能的IGBT驅動電路。