MOSFET及IGBT的驱动电路
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摘要: 功率MOSFET栅极驱动电路 功率MOSFET是场控型电力电子器件，它与前述SCR及GTO等电流控制型器件不同，门极为栅极，输入阻抗很高，驱动电路相对简单得多。另外，由于MOSFET结电容形成的极间电容较大，因此MOSFET的栅极 ...
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　　逆变电路中igbt安全操作注意事项：
　　1. 引言
　　由于三电平电压型逆变器对主元件的耐压要求可降低一半，而且输出波形好，因而一出现就显示了巨大的优越性。本设计方案中三电平电压型逆变器由12个IGBT单元和钳位二极管等组成中性点钳位电路。有三个电平（+E、0和-E）输出，在直流中间环节电容分压对称时，就有27种不同的输出状态。由于主电路中有12只IGBT，因此需要12路驱动电路。如果每路驱动电路采用独立开关电源+驱动模块+IGBT的常用模式，则成本非常高。在这种情况下，就很有必要设计一种廉价、实用且有效的IGBT驱动保护电路，既能降低成本，又不至于削弱电路的各种性能。
　　2. IGBT对驱动电路的基本要求
　　作为三电平逆变器的主要功率开关器件，IGBT的工作状态直接关系到整个系统的性能。所以设计合理的驱动电路显得尤为重要。理想的驱动电路应具有以下基本性能：
　　1. 要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压Vge。正向Vge越高，器件VCES越低，越有利于降低器件的通态损耗。但为了限制短路电流幅值，一般不允许Vge超过+20V。关断IGBT时，必须为器件提供-5V~-15V的反向Vge，以便尽快抽取器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗 干扰能力。
　　2. 要求驱动电路具有隔离输入输出信号的功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很小。
　　3. 要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻Rg，用以控制Vge的前后沿陡度，进而控制器件的开关损耗。Rg增大，Vge前后沿变缓，IGBT开关过程延长，开关损耗增加；Rg减小，Vge前后沿变陡，器件开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。因此，Rg的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧姆到几十欧姆。
　　4. 驱动电路应具有过压保护和dv/dt保护能力。当发生短路或过流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。 IGBT驱动和保护电路的实现 根据以上对IGBT驱动及短路保护电路的讨论，本文设计了一种具有完善短路保护功能的隔离式IGBT驱动和保护电路，如图1所示。
　　图1 IGBT驱动及保护电路
　　3. 驱动电路
　　驱动电路由两部分组成：载波部分和驱动部分。
　　载波部分由74HC02、晶振、 74LS74、75452和脉冲变压器组成。利用调制解调的原理，脉冲变压器既利用高频信号传递能量，同时又对驱动信号进行调制。由或非门74HC02和晶振构成多谐振荡器，产生2MHz的高频载波信号。由于脉冲变压器工作在推挽方式下，因此需要两个相位相差180 男藕牛珼触 发器74LS74的两个反相输出端提供两个反相信号驱动7是&个集成驱动器。当驱动信号PWM1和故障信号Gz1同时为高电平时，与门74HC08输出高电平，75452选通，高频载波信号驱动变压器，将驱动功率和驱动信号同时传递到驱动部分。当PWM1和Gz1中有一个为低电平时，封锁高频载波信号，驱动级靠储存的能量维持工作。同时，脉冲变压器工作在推挽方式下，还可以将驱动器75452的压降钳位在2倍的工作电压（即10V）上，以防止过电压烧坏75452。
　　驱动部分由VD1~VD6、C5~C8Vz1、Vz2、C1、R1、V2、R3、V3和V4组成。其中，VD3~VD6作为全桥整流，C5~C8为滤波电容，将高频载波信号中的能量储存在电容中，用来提供驱动功率。VDL和VD2实现反向全波整流，既避免了与正向全桥整流竞争，又可用于分辨驱动信号。Vz1和Vz2用于稳压，为后级电路提供一个稳定的&15V电压。电容C1用于滤波，当变压器有信号传输时，C1充电，A点电位为-15V，E点电位变为+15V，V4截止，V3导通，驱动IGBT；当变压器中的信号消失，C1放电，A点电位变高，V1导通，C2通过V1更快放电，将B点电压钳位在-15V，使后续保护电路不会动作；同时V2截止，E点电位变为-15V，V3截止，V4导通，IGBT正常关断。由于二极管D2和D3反向截止，则电容C3和C4上电压被充电至+15V，不会放电。
　　4. 保护电路
　　过压保护
　　对于过压保护采取的措施为：门极和发射极之间并联反向串联的稳压二极管Vz3和Vz4；门极和发射极之间加门极发射极电阻R6；加阻容吸收电路，由D6、R14和C9组成。
　　dv/dt保护
　　对于dv/dt保护采取的措施为：IGBT关断时加足够的负栅极电压（-15V）；关断时，保证栅极电阻较小。当IGBT关断时，二极管D4使R17和R5并联，减小栅极电阻；驱动电路与IGBT栅极发射极之间的连线要尽量短，以使栅极发射极电路电感尽可能小。
　　过流保护
　　检测IGBT饱和压降的&延时搜索过电流保护&是一种比较好的方法。它可以迅速检测出IGBT是否过流并采取保护措施。根据IGBT的特点，一个合理的短路保护流程如图2所示。
　　图2 IGBT短路保护流程图
　　该流程采用延时2&S缓降栅压，再延时10&S封锁输入信号的方案，既保证了能有效排除偶然的短路信号引起保护电路动作，又保证了在发生严重的短路故障时，能及时地关断IGBT，防止器件损坏。
　　本设计方案中，过流保护电路由短路检测电路（D1、R2、V1和C2）、2&S缓降栅压电路（R7、LM111、Vz7、Vz8、R11、D2和C3）、延时10&S封锁输入信号电路（D3、R4、C4、Vz9、6N137和74HC08 ）组成。
　　下面简要介绍该电路的过流保护原理：
　　设IGBT已正常导通，则V1和V2 截止，V3导通，V4截止；B点电压稳定在+3V左右（IGBT正常导通时的饱和压降 ），C、D点电压稳定在+15V左右。当IGBT过流时，饱和压降增加，D1反向截止，则C2通过R2被充电，两端电压逐渐增大。当C2电压高于比较器设定的比较电压时，比较器LM111输出高电平，Vz7和V5导通，C点电压被钳位至10V，则E点电压变为+10V，从而起到了缓降栅压的作用。至于缓降栅压的时间，则由电容C2上的电压由+3V上升到电压比较器的设定值（即稳压管Vz6的稳压值）的时间间隔决定。
　　当IGBT栅极电压降低到+10V后，过电流允许时间一般为10&S。如果在10&S内故障消失，IGBT饱和压降降低，则D1导通，B点电压降低，比较器输出低电平，电路恢复正常工作。如果在10&S内故障未消失，则C2继续充电，当大于一设定值（Vz9的稳压值+6N137的压降+V6的压降 ）时，V6导通，C4通过R4放电，使得D、E点电压逐渐降低至-15V，V3截止，V4导通，IGBT被慢速关断。同时6N137输出故障信号（为低电平），与门74HC08输出低电平，75452关断，封锁PWM1和高频载波信号，起到了双重保护作用。
　　5. 电路参数设置及设计注意事项
　　虽然理论上载波信号的频率越高越好，这样变压器可以选择得更小。但考虑到分立器件本身的响应速度，一般选择2MHz以下的频率，不宜过高。本设计方案中采用1MHz的载波信号频率。
　　设计时，为减少功耗，D触发器采用的是CMOS集成电路74HC74。但在实际调试中发现，采用74HC74导致载波电路中的噪声很大，使得变压器的发热严重。在衡量利弊得失后，最终采用ttL集成电路74LS74。
　　由于载波频率很高，脉冲变压器的体积可以做得很小。该设计中，采用市售的脉冲变压器骨架和磁芯，自己绕制变压器，其原副边匝数比为1：3。为了减少漏感，除绕组均匀绕在磁芯骨架上外，更有效的方法是采用双线并绕，可以显著降低漏感，初、次级绕组都是并联绕后串联使用。当绕组各层高度不等、相互错开时，漏感也会加大，这是不希望的。所以绕线时特别注意要严格按照工艺纪律执行，注意绕组各层次高度不能塌线，互相错开。
　　由于载波频率达到1MHz，因此变压器次级整流二极管的反向恢复速度显得极为重要。普通的快恢 复二极管由于反向恢复时间较长，导致整流桥的桥臂上下直通，形成瞬间短路，并导致初级有一个瞬间的大电流，使75452处于过载状态，不能长时间工作。本方案中采用1N4148，它的反向恢复时间为8NS，完全满足电路要求。
　　为了缩短驱动信号的延迟时间，可以将C1取得小些；由于整流二极管还是有一定的反向恢复时间，因此需要对A点的信号滤波，否则纹波可能会导致V1和V2误导通。为了有足够的滤波能力，C1的取值需要折衷，以得到最佳效果。
　　由图L可知，启动保护电路的过电流应对应一个IGBT饱和压降，所以可通过调整Vz6的稳压值来设定比较器的比较值。当B点电压，即IGBT饱和压降大于此值时，过流保护电路启动。
　　缓降栅压的延迟时间（从过流开始到栅极电压由+15V降到+10V所需的时间），可通过选择电阻R2和电容C2的值来确定。
　　其中，VSAt为IGBT正常饱和压降，VSAt2为比较器的设定值。本方案中，VSAt2 = +5 V。Vz5的作用是：把IGBT过流时B点的最终电压钳位在+15V，以免过电压烧坏LM111。Vz8的作用是：把IGBT过流时C点的最终电压钳位在+10V，即缓降栅压后驱动IGBT的栅压值。
　　降低栅极电压后的搜索时间（栅极电压为+10V时的延迟搜索时间）t2可通过稳压二极管Vz9的值Vz9来设定。
　　其中，1．2V为6N137的压降，0．6V为V6的压降。
　　慢速关断时间（栅极电压由+10V降低到-15V的时间）t3可通过改变电阻R4来设定。t3由电容C4通过R4的放电速度决定。C4的电压初始值为+15V，关断后加在栅极上的电压可通过R3和R4的值来决定。
　　6. 结语
　　该驱动电路简单、可靠，成本低廉，输入输出信号传输延时小。采用+15V和-15V的正反向驱动电压方案，保证IGBT可靠开通和关断。该短路保护电路具有短路信号检测、延时缓降栅压和延时封锁输入信号功能。同时，引起保护电路动作的短路电流门限值、缓降栅压动作延迟时间以及封锁输入信号延迟时间均可以调整。此电路解决了一般的驱动电路需要辅助电源的问题，尤其在三电平逆变器电路中这一优点更加明显。目前该电路已成功应用在新开发的三电平逆变器直接转矩控制系统中，运行情况良好。
　　IGBT的主要特性和参数：
　　（1） 集电极-发射极击穿电压UCES，UCES为栅极对发射极短路时，集电极-发射极之间所能承受的最高电压，UCES直接反映了IGBT的耐压能力。
　　（2） 发射极-集电极击穿电压UECS。UECS为发射极-集电极之间所能承受的最高电压。IGBT的发射极-集电极之间的耐压能力（或称集电极-发射极之间的反向耐压能力）很低，UECS通常仅为十几伏．由此在电路中通常要在集电极-发射极之间反向并联保护二极管，如图2.5.5所示。有些IGBT元件直接就在元件内部集电极-发射极之间集成了一个反向并联保护二极管，这样的器件在参数表中就没有了UECS这一项。
　　（3） 栅极-发射极额定电压UGES。UGES为栅极-发射极之间所能承受的最高电压。IGBT是电压控制型器件，依靠栅极电压UGES来控制管子的导通与关断，由于栅极的绝缘层比较薄，容易被电压击穿，出此，一般限制UGES为士20V。
　　（4） 集电极最大允许电流ICM。ICM表示IGBT集电极允许流过的最大电流。当IGBT 工作于连续电流条件下时，ICM即表示IGBT集电极允许流过的最大连续电流；当IGBT工作于脉冲电流条件下时，ICM即表示IGBT集电极允许流过的最大脉冲电流。ICM也称为IGBT的电流额定值。
　　（5） 跨导gfe。IGBT是利用输入电压控制输出电流的器件，输出电流与输入电压的比值用跨导gfe表示，gfe＝&DIc/&DUGE，它也反映了IGBT的增益情况。
　　（6） 最大耗散功率PD。PD是指IGBT在理想散热条件下，器件处于最高允许结温时，所对应的耗散功率，它反映了IGBT最大可承受的自身耗散功率大小。
　　（7） 集电极-发射极饱和压降瓢UCEon。UCEon是IGBT在开通时，集电极-发射极之间的饱和压降，UCEon随集电极-发射极之间通过电流的增加而略有上升，通常在1~2V范围内
　　（8） 栅极开启电压UGEth。UGEth是使IGBT开始导通所需的最小栅射电压，通常在3~6V之间。
　　此外，IGBT也有极间电容、栅极电荷量、热阻等参数．其定义同于功率MOSFET，故不再赘述。
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( 发表人：易水寒 )
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