高頻條件下IGBT驅動電路的設計與仿真

摘要：文中對大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)的開關特性、驅動要求進行了分析和討論，介紹了一種高頻條件下實用的IGBT驅動電路，并通過理論分析和仿真波形說明了該驅動電路的有效性和適用性。
關鍵字：高頻；絕緣門極雙極型晶體管；驅動電路；IGBT

0 引言
絕緣門極雙極型晶體管是復合了功率場效應管和電力晶體管的優點而產生的一種新型復合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩定性好、驅動電路簡單、飽和壓降低、耐壓高和承受電流大等優點，因此現今應用相當廣泛。但是IGBT良好特性的發揮往往因其柵極驅動電路設計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應用。本文分析了IGBT對其柵極驅動電路的要求，設計了一種適用于高頻條件下小功率電路可靠穩定的分立式IGBT驅動電路。

1 IGBT驅動電路的基本要求
IGBT的驅動電路是IGBT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IGBT的正常工作及其保護起著非常重要的作用，門極電路的正偏壓uGS，負偏壓-uGS和門極電阻Rc的大小，對IGBT的通態電壓、開關、開關損耗、承受短路能力參數有不同的程度的影響，因此驅動電路設計對IGBT的動態和靜態性能都有重要影響，對驅動電路提出以下要求：
①動態驅動能力強，能為柵極驅動電壓脈沖提供充分大上升率和下降率，以減小開通和關斷損耗。但是，由于主電路中存在分布電感及濾波電容的串聯電感，隨著IGBT的高速開通與關斷將在電路中產生高頻幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓Ldi／dt，該尖峰電壓應用常規的過電壓吸收電路是吸收不掉的，因而有可能造成IGBT自身或電路中其他元件過電壓擊穿而損壞。所以，主電路應盡可能使用短引線或雙絞線降低分布電感的影響，而且IGBT開關時間也不能過短，其值應根據所有元件及IGBT自身的承受du／dt的能力綜合考慮。
②能向IGBT提供適當的正向柵極電壓，IGBT導通后的管壓降與所加柵源電壓有關，在集射極電流一定的情況下，uGE越高，uCE就越低，器件的導通損耗就越小，這有利于提高開關效率。但是，uGE并非越高越好，一般不允許超過20V，原因是一旦發生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常取15V為宜。
③能向IGBT提供適當的反向柵極電壓。IGBT柵射極施加的反向偏壓有利于其快速關斷，但-uGE反向偏壓受IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制，過大的反向電壓會造成IGBT柵射極的反向擊穿，所以-UGE應取合適的值，一般為-2V～-15V。
④有足夠的輸入輸出電隔離能力。由于IGBT多用于高電壓場合，而控制電路并不與高壓電路有直接耦合，所以驅動電路應與整個控制電路在電位上有嚴格的隔離。但是，這種電隔離不應影響驅動信號的正常傳輸。
⑤具有柵極電壓限幅能力，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極限電壓一般為-20～+20V，超出此范圍就可能破破環柵極。
⑥選擇合適RG，IGBT驅動電路中的RG對工作性能有較大的影響，RG較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗，RG較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損環。RG的具體數據與驅動電路的結構及IGBT的容量有關，一般在幾歐一幾十歐。
⑦IGBT的柵極驅動電路應盡可能的簡單、實用，最好具有對驅動IGBT的完整保護能力及很強的抗干擾性能，而且輸出阻抗應盡可能的低。
⑧由于柵極信號的高頻變化，造成同一個系統多個IGBT的柵極驅動電路相互干擾。為防止干擾的出現，引線應采用絞線或同軸電纜屏蔽線，同時柵極驅動電路中IGBT模塊柵射的引線也應盡可能的短。
2 實用型IGBT驅動電路
針對IGBT驅動電路的上述要求，在工程實踐中提煉出一種簡單實用的分立式IGBT驅動電路，其電路簡圖如圖1所示，在電路簡圖中：Q1，Q3為NPN型三極管，Q2，Q4為PNP型三極管，D1～D4為保護二極管，二路PWM控制信號A，B為高電平或低電平，即A為高電平，B為低電平時，Q1、Q4導通，Q2、Q3關斷，此時，Q1、Q4和T1原邊繞組就形成通路，脈沖電壓加在T1的原邊，與原邊同相位的次邊得到開通驅動信號，與原邊相反的次邊得到關斷驅動信號。這些部分的作用是將A、B信號推挽放大，并通過隔離變壓器T1將驅動信號發生電路與高壓電路隔離。