IGBT驱动电路原理（igbt驱动电路原理图）

GB驱动电路的常见形式(1)由分立元件组成的插入式IGBT驱动电路在80年代由IGBT组成的设备中得到了广泛的应用。分立元件驱动电路的设计和应用主要受当时电子元件的技术水平和生产工艺的制约。但随着大规模集成电路的发展和芯片贴装技术的出现，这种采用分立元件的插件式驱动电路因其结构复杂、集成度低、故障率高而逐渐被淘汰。

(2)光耦驱动电路光耦构成的驱动电路具有电路简单、可靠性高、开关性能好等特点，在IGBT驱动电路设计中应用广泛。光耦合器的种类很多，选择余地很大。IGBT驱动电路中使用的光耦主要是东芝的TLP系列、夏普的PC系列和惠普的HCPL系列。

以东芝TJP系列光耦为例，驱动IGBT模块的光耦主要是TLP250和TLP251。TLP251一般用于小电流(15A左右)的IGBT。最简单的驱动电路由外围驱动电源和限流电阻组成。TLP250光耦一般用于中等电流(50A左右)的IGBT。对于电流较大的IGBT，在设计驱动电路时，一般采用在光耦后增加一个放大电路来安全驱动IGBT模块。光耦的优点是体积小，缺点是响应慢，所以延迟时间长(高速光耦一般在500 ns以上)。光耦的输出级需要隔离的辅助电源。

(3)厚膜驱动电路厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体工艺基础上发展起来的混合集成电路。它利用厚膜技术在陶瓷基板上制作图案元件和连接线，将驱动电路的所有元件集成在一个陶瓷基板上，使之成为一个整体。厚膜驱动电路的使用给布线带来了极大的方便，可以提高整机的可靠性和量产的一致性，同时加强了技术的保密性。现在的厚膜驱动电路集成了很多保护电路和检测电路。

(4)专用集成驱动电路目前已经开发应用的专用集成驱动电路主要有IR公司的IR 2111、 IR 2112、 IR 213等。其他包括富士公司的EXB系列厚膜驱动电路。

另外，现在一些欧美厂商在IGBT驱动电路的设计中使用高频隔离变压器(如丹佛斯VLT系列变频电源)。通过高频变压器隔离驱动电路的电源和信号，增强了驱动电路的可靠性，同时有效防止了主电路故障时对控制电路的损坏。在实际应用中，这种驱动电路的故障率很低，大功率IGBT很少出现问题。利用脉冲变压器隔离驱动IGBT有三种方式：

1)无源方式是用变压器次级的输出直接驱动lGBT器件。这种方法非常简单，不需要单独的驱动电源。但是，由于IGBT器件的栅发射极电容CGs一般较大，栅发射极之间的波形VGE会明显变形。除非把一次输入信号改成一定功率的大信号，否则白鹿冲变压器也会有更大的体积。

2)在有源方式中，变压器只提供隔离信号，副边还有另一个整形放大电路来驱动IGBT器件。虽然驱动波形良好，但需要额外为放大器提供隔离的辅助电源。如果辅助电源处理不当，可能会引入寄生干扰。

3)自备电源方式现有技术是对PWM驱动信号进行高频(几MHz以上)调制。这个信号加到隔离脉冲变压器的原边，在副边直接整流得到自带电源，而原来的PWM调制信号需要解调。显然，这种方法既复杂又昂贵。

IGBT驱动电路有三种1、驱动电路EXB841/840EXB841。工作原理如图1所示。当10mA电流流过EXB841的14脚和15脚达1us时，IGBT正常导通，VCE下降到3V左右，6脚电压箝位在8 V左右，由于VS1有13V的稳压，所以不会被击穿，V3不导通。E点的电位约为220。

当14脚和15脚无电流流过时，V1和V2导通，V2关断V4，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5快速放电，3脚电位降至0V，意味着IGBT栅极在两次出手之间承受约5V的负偏压，IGBT可靠关断。与此同时，VCE的迅速崛起让pin 6“飘”了起来。C2放电使B点的电位为0V，那么V S1仍然不导通，随后的电路不动作，IGBT通常是关断的。

过流时，IGBT的过量V CE使VD2关断，VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而降低了IGBT栅极和发射极之间的电压UGE，完成慢关断，实现了对IGBT的保护。根据EXB841实现过流保护的过程，EXB841判断过流的主要依据是6脚的电压，它不仅与VCE有关，还与二极管VD2的导通电压Vd有关。

典型的接线方法如图2所示。使用时请注意以下几点：

A.IGBT栅极-发射极驱动电路的往返布线不宜过长(一般小于1m)，应采用双绞线连接，以防干扰。

b、由于IGBT的集电极产生较大的电压尖峰脉冲，增加IGBT门的串联电阻RG有利于其安全工作。然而，栅极电阻RG不能太大或太小。如果RG增加，开启和关闭时间会延长，这会增加开启能耗。反之，RG过小，di/dt会增大，容易产生误导。

C.图中电容C用于吸收电源连接阻抗引起的电源电压变化。不是电源的电源滤波电容，其值一般为47 F。

d、6针过流保护采样信号接线端子，通过快恢复二极管接IGBT集电极。

e，14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15脚的输入电流一般要小于20mA，所以在15脚之前加一个限流电阻。

F.为了确保可靠的关断和导通，在栅极发射极上增加一个齐纳二极管。

2、M57959L/M57962L厚膜驱动电路M57959L/M57962L厚膜驱动电路采用双电源供电(15V，-10V)，输出负偏置电压为-10V，输入输出电平兼容TTL电平，具有短路/过载保护和闭合短路保护，以及延时保护。它适合驾驶IGBT。M57959L/M57962L分别低于1200V/100A、600V/200A和1200V/400A、600V/600A。驱动中小功率IGBT时，驱动效果和各种性能都很优秀，但工作在高频时，其脉冲的前后沿变差，也就是信号signal。而且厚膜内部采用印刷电路板设计，散热不是很好，容易因为过热烧坏内部器件。

日本三菱公司的M57959L集成了IGBT专用驱动芯片，可用作600V/200A或1200V/100A IGBT驱动器。最大频率为40KHz，峰值输出电流为2a，采用双电源(15V和-15V)。M57959L具有以下特点：

(1)光耦用于实现电气隔离。光耦速度快，适合20KHz左右的高频开关操作。光耦的初级侧串联一个限流电阻，可以直接给输入侧施加5V电压。

(2)如果采用双电源驱动技术，输出负栅压比较高，电源电压的限值为18V/-15V，一般为15V/-10V。

(3)信号传输延迟时间短，低电平到高电平传输延迟时间和高电平到低电平传输延迟时间都在1.5s以下。

(4)具有过流保护功能。M57962L通过检测IG的饱和压降来确定IGBT是否过流

避免关断期间的过压和大电流冲击。另外，在关断过程中，输入控制信号的状态失去作用，意味着保护关断是在关闭状态下完成的。当保护启动时，故障信号立即发出，以便切断控制信号，包括电路中的其它有源器件。

3、SD315A集成驱动模块集成驱动模块由单个15V电源供电，内部集成有过流保护电路。它最大的特点就是安全、智能、易用。2SD3 15A可以输出较大的峰值电流(最大瞬时输出电流可达15A)，驱动能力强，隔离电压能力高(4000V)。2SD315A有两个驱动输出通道，适用于驱动1200V/1700V及以上驱动等级的两个单管或一个半桥双单元大功率IGBT模块。当用作半桥驱动器时，可以方便地设置死区时间。

2SD315A主要由三个功能模块组成，分别是LDI(逻辑到驱动器接口)、IGD(智能栅极驱动器)和输入输出隔离的DC/DC转换器。当外部PWM信号输入时，它由LDI编码。为了保证信号不受外界条件的干扰，处理后的信号在进入IGD之前需要经过高频隔离变压器进行电气隔离。从隔离变压器另一侧接收的信号首先在IGD单元中解码，解码后的PWM信号被放大(15V/15A)以驱动外部大功率IGBT。当智能门驱动单元IGD中的过流和短路保护电路检测到IGBT存在过流和短路故障时，阻断时间逻辑电路和状态确认电路产生相应的响应时间和阻断时间，并将当前状态信号编码后发送给逻辑控制单元LDI。LDI单元对传输的IGBT工作状态信号进行解码，以便在控制回路中进行处理。为了防止2SD315A的两路输出驱动信号相互干扰，DC/DC转换器提供隔离电源。

由分立元件组成的IGBT驱动电路通常采用脉冲变压器耦合设计，具有结构简单的优点，适用于中小功率变换设备中的IGBT。缺点是不适用于大型功率变换设备中的大功率IGBT器件。脉冲变压器的耦合驱动电路，波形失真，容易振荡，特别是在脉冲变压器耦合性差，漏电感大，抗干扰和误触抑制能力低的情况下。因为是无源驱动器，所以不适合高频大功率的IGBT器件。

图1a所示的驱动电路适用于驱动低频低功率IGBT。当控制信号Vi为高电平时，Vl导通，输出Vo对应受控开关晶体管(IGBT)导通。当控制信号Vi为低电平时，V2开启，由输出Vo控制的IGBT关闭。

图1b所示的驱动电路是由场效应晶体管构成的推挽电路，其工作原理与图1a相同。该电路的高频峰值驱动电流可达10A以上，适用于大功率IGBT器件。

图2所示的二合一驱动和保护电路适用于驱动低频低功耗IGBT。如果用N沟道和P沟道大功率场管代替双极NPN和PNP三极管，就可以构成高频大电流驱动器。

图2驱动和保护二合一电路

在图2所示的驱动保护二合一电路中，磁环变压器用于耦合方波信号，而不是用于信号隔离的光耦。由于光耦的速度不够快，光耦的上升沿和下降沿有延迟，所以通过变压器传输可以得到陡峭的上升沿和下降沿，几乎没有传输延迟。适用于驱动高频大功率的IGBT器件。该电路具有驱动速度快、快速过流保护的优点，是一种理想的二合一实用IGBT驱动电路。

在图2所示驱动保护二合一电路的基础上增加了软关断技术的驱动电路如图4所示。

图5所示的驱动电路是一个IGBT驱动电路，由光耦合器等分立元件组成。当输入控制信号时，光耦VLC导通，晶体管V2截止，V3导通，输出15V的驱动电压。当输入控制信号为零时，VLC关断，V2、导通，输出-10V电压。15V和-10V电源应靠近驱动电路，从驱动电路的输出端和电源的接地端到IGBT的栅极和发射极的引线应为双绞线，长度最好不超过0.5m。设计IGBT驱动电路时应注意以下几点：

1) IGBT门极耐压一般在20V左右，因此驱动电路的输出应提供门极过压保护电路。通常的做法是将齐纳二极管或电阻与栅极并联。分流二极管的缺点是增加了等效输入电容Cin，从而影响开关速度。分流电阻的缺点是降低输入阻抗，增加驱动电流，要根据需要选择。

2)虽然IGBT所需的驱动功率很小，但MOSFET的输入电容Cin在开关过程中需要充放电，所以驱动电路的输出电流要足够大。假设驱动开启时，MOSFET输入电容Cin在上升时间tr内线性充电，则驱动电流为IGE=CinVGS/tr，其中tr=2.2RCin，R为输入环路电阻。

3)为了可靠地关断IGBT，防止锁定效应，需要在栅极上施加负偏置电压，因此需要采用双电源为驱动电路供电。

专用混合集成IGBT驱动电路在分立IGBT驱动电路中，分立元件多，结构复杂，保护电路复杂，可靠性和性能差，所以在实际应用中大多采用集成驱动电路。常用的有三菱公司的M597系列(如M57962L、M57959L)、富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850、EXB851)、东芝公司的TLP系列、法国汤姆逊公司的VA4002集成电路等。被广泛使用。同一系列不同型号的引脚和接线基本相同，但被驱动器件的容量、开关频率、输入电流幅值等参数不同。

一般在低性能的三相电压源逆变器中，通过检测流入DC总线上逆变桥的DC电流，可以实现与电流有关的各种性能控制，如变频器中的自动转矩补偿、转差补偿等。同时，该检测结果也可用于实现逆变单元中IGBT的过流保护。因此，在这种逆变器中，对IGBT驱动电路的要求相对简单，成本相对较低。这类驱动芯片主要有东芝生产的TIP250，夏普生产的PC923等。TLP250包含一个GaAIAs发光二极管和一个集成光电探测器，并具有8引脚双排封装结构。TLP250的典型特性如下：

1)输入阈值电流(if): 5ma(最大值)。

2)电源电流(ICC): LLMA(最大)。

3)电源电压(VCC): 10 ~ 35V。

4)切换时间(TPLH/TPHL): 0.5 s(最大值)。

5)隔离电压：2500Vpms(最小)。

使用TLP250时，应在引脚8和引脚5之间连接一个0.1F陶瓷电容，以稳定高增益线性放大器的工作。旁路故障会损害开关性能，电容和光耦之间的引线长度不应超过lcm。TLP250的使用特性如下：

1)TLP 250的输出电流较小，因此在驱动大功率IGBT时，需要额外的功率放大电路。

2)由于流过IGBT的电流被其他回路检测到，只检测流过IGBT的电流，可能会对IGBT的使用效率产生一定的影响，比如早期保护有时会发生在IGBT的安全工作区。

3)要求控制电路和检测电路应快速响应电流信号。一般来说，从出现过流到IGBT可靠关断，应该在10s内完成。

4)当过流发生时，TLP250从控制器得到关断信号，向IGBT的栅极施加负电压，硬关断IGBT。该主电路的dv/dt远大于正常开关状态下的dv/dt，这导致施加到IGBT两端的电压

由集成电路TLP250组成的驱动电路如图6所示。TLP250内置光耦的隔离电压可达2500V，上升下降时间小于0.5 s，输出电流达到0.5A，可直接驱动50 A/1200 V以内的IGBT，加上推挽放大晶体管，可驱动更大电流容量的IGBT。TLP250驱动器体积小，价格便宜，是理想的无过流保护IGBT驱动器。由于TLP250不具备过流保护功能，当IGBT过流时，IGBT被控制信号关断，IGBT中的电流急剧下降，存在反向冲击。这会造成很大的di/dt和开关损耗，对控制电路的过流保护功能要求很高。