前言
絕緣柵場效應晶體管(IGBT)作為一種複合型器件，集成了MOSFET的電壓驅動和高開關頻率及功率管低損耗、大功率的特點，在電機控製、開關電源、變流裝置及許多要求快速
、低損耗的領域中有著廣泛的應用。本文對應用於有源電力濾波器的IGBT的特性及其專有EXB84l型驅動器的設計進行討論，並提出一種具有完善保護功能的驅動電路。
有源電力濾波器設計中應用4個IGBT作為開關
，並用4個EXB84l組成驅動電路，其原理如圖l所示。在實驗中，根據補償電流與指令電流的關係，用數字信號處理器(DSP)控製PWM引腳的高低電平
，並由驅動電路控製IGBT的通斷。驅動電路同時對過流故障進行監測，由DSP采取封鎖控製信號、停機等處理。

圖一：實驗電路的原理圖

驅動電路的設計
a 驅動電路電源
驅動電路需要4路相互隔離的直流電源為4路IGBT驅動電路供電
，用220V/22V變壓器對4路交流電源分別整流

，用電容器和78L24型電壓調整器穩壓後輸出4路24V直流電壓
，如圖2所示。

圖二：驅動電路的電源設計
b  柵極電壓
IGBTtongchangcaiyongzhajidianyaqudong，taduizhajiqudongdianluyouzheteshudeyaoqiu。zhajiqudongdianyamaichongdeshangshenglvhexiajianglvyaozugouda，daotongshi，qianyanhendoudezhajidianyaUGE可以使IGBT快速導通，並減小導通損耗
，關斷時，其柵極驅動電路要給IGBT提供一個下降很陡的關斷電壓，並在柵極和發射極之間施加一個適當的反向負偏壓，以便使IGBT快速關斷，並減小關斷損耗。IGBT導通後，柵極的驅動電壓和電流要有足夠的寬度，以保證IGBT在瞬時過載時未退出飽和區受到損壞。柵極驅動電壓推薦值為15 V±1.5 V，這個電壓值使IGBT完全飽和導通，並使通態損耗減至最小。施加關斷負偏壓可以抑製C-E間出現du/dt時IGBT的誤導通，也可以減少關斷損耗。

c 門極電阻R1
門極電阻R1的選取對通態電壓、開關時間
、開關損耗及承受短路的能力都有不同程度的影響。當門極電阻增大時

，IGBT的開通和關斷時間增加，從而使導通和關斷損耗增加。當門極電阻減小時，則會導致di/dt增加，從而引起IGBT的誤導通。所以應根據IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關頻率的不同選擇R1的阻值。

Rl的值可以用下式計算：

IC為IGBT的集電極電流。如圖3所示，一般R1取十幾歐姆到幾十歐姆，R2為30 Ω。由於IGBT是壓控器件，當集-射極間加高壓時
，很容易受外界幹擾，而使柵-射極間電壓超過一定值，引起器件誤導通，為了防止這種現象的發生，在柵-射極間並聯一電阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍，而且應將它並聯在柵-射極最近處。電路中的電容器Cl和C2用來抑製因電源接線阻抗引起的供電電壓變化，而不是用於電源濾波。

d  EXB841驅動環節
筆者在實驗中采用的是EXB841型專用IGBT驅動模塊，其最高運行頻率為40 kHz，輸入信號經內部光耦隔離，光隔驅動電流為10 mA，最大延時約為1 μs。工作溫度範圍為-10℃~+85℃，供電電壓為+20 V～+25 V。筆者對EXB841功能進行了擴展，圖3為驅動環節電路。

 
圖三：驅動環節的電路
EXB841的6引腳連接的二極管可檢測IGBT的飽和壓降
，用來完成過流保護功能

，4引腳的過流保護信號延時10μs輸出。當IGBT有過流時，若UCE大於7.5V，內部過流保護電路開始動作，軟關斷IG-BT。通常在IGBT通過額定電流時UCE為3.5 V，當UCE=7.5 V時，IGBT有過流，其值約為額定電流的3~5倍，但是由於沒有達到保護的閾值，保護電路不起作用。如果長時間工作在這種狀態，則會導致IGBT損壞。為了可靠地保護IGBT，應該降低過流保護閾值，可以在D1與IGBT的集電極間反串一個穩壓管，或多串幾個與D1同規格的快速恢複二極管。如圖3通過反串一個IN4728型3.3 V穩壓管使保護閾值降為4.2V。當檢測到IGBT過流後，5引腳變為低電平
，TPL521型光耦輸出低電平，通過與門封鎖控製信號輸入

，同時使4輸入與非門輸出低電平，觸發功率驅動保護中斷，完成相應的保護處理。

e  控製部分與驅動部分的隔離
控製電路為弱電部分，極易受到幹擾;驅動電路直接與外電路連接，是一個較強的幹擾源;為wei了le實shi現xian整zheng個ge設she備bei的de電dian磁ci兼jian容rong，控kong製zhi電dian路lu部bu分fen必bi須xu與yu驅qu動dong部bu分fen隔ge離li。為wei了le避bi免mian公gong共gong電dian源yuan對dui控kong製zhi電dian路lu產chan生sheng幹gan擾rao，應ying對dui控kong製zhi電dian路lu及ji驅qu動dong電dian路lu分fen別bie供gong電dian，EXB84l的電源電壓為+20 V
，一般控製電路的供電電壓為5 V，因此
，可以利用圖4所示的DC-DC微功率模塊進行電源隔離，采A2405D型微功率模塊實現電源的隔離。

圖四：DC-DC微功率模塊

IGBT及驅動電路的保護
a IGBT的過電壓保護
IGBT集-射極之間的瞬時過壓會對IGBT造成損壞，筆者采用箝位式吸收電路對瞬時過電壓進行抑製。當IGBT導通時
，由於二極管的作用，電容器的電荷不會被放掉
，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關斷時，負載電流仍流過IGBT，直到IGBT集-射極之間電壓達到電源電壓，續流二極管導通。應用該電路，可以使雜散電感中的能量通過二極管轉儲到吸收電容器中，而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上
，這樣就可以抑製IGBT集電極的尖峰電壓。吸收電容器的容值可以按公式(2)選取：

式中
，L是引線電感;i是IGBT關斷時的電流;△U是吸收電容器上的電壓過衝。

當dang吸xi收shou回hui路lu中zhong的de電dian容rong器qi電dian壓ya高gao於yu直zhi流liu側ce電dian容rong器qi上shang的de電dian壓ya時shi，通tong過guo電dian阻zu器qi向xiang直zhi流liu側ce電dian容rong器qi回hui送song能neng量liang，一yi直zhi到dao與yu直zhi流liu側ce電dian容rong器qi的de電dian壓ya相xiang等deng。當dangIGBT關斷時，線路電感在集電極和發射極二端產生很高的尖峰電壓，加上箝位式吸收電路以後，UCE被箝位在電容器電壓上，當UCEgaoyudianrongqidianyashi，xianludiangandenengliangbeizhuanyidaoxishoudianrongqishang，dangjianfengdianyaguoquyihou，xishoudianronggaoyuzhudianrongdenabufendianyahuiyouyunenglianghuijinerdadaoyuzhudianrongxiangdeng。zheyangjiuyizhileji-射(she)極(ji)間(jian)的(de)尖(jian)峰(feng)電(dian)壓(ya)。吸(xi)收(shou)電(dian)容(rong)越(yue)大(da)
，吸(xi)收(shou)效(xiao)果(guo)越(yue)好(hao)。由(you)於(yu)吸(xi)收(shou)電(dian)容(rong)器(qi)上(shang)過(guo)衝(chong)的(de)能(neng)量(liang)大(da)部(bu)分(fen)被(bei)送(song)回(hui)到(dao)直(zhi)流(liu)側(ce)電(dian)容(rong)

，所(suo)以(yi)減(jian)小(xiao)了(le)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)功(gong)耗(hao)。

b 消除IGBT集-柵極之間的du/dt
圖5所示為EXB841與IGBT柵-射極之間的連接電路原理圖。當驅動電路中的V4導通時，IGBT處於正常導通狀態，當V5導通時，IGBT柵-射極之間通過穩壓管VZ2提供一個-5V電壓加在其兩端，使IGBT關斷，此時V5處於臨界導通狀態，穩壓管VZ2處於反向偏置狀態。但由於集-柵極之間分布電容的影響，集-柵極之間的du/dt增大時，其通過分布電容形成的電流經過，所以，要克服集-柵極之間的du/dt
，確保穩壓管不過壓
，避免IGBT誤導通。克服du/dt的方法有二種：一是驅動電路輸出與IGBT柵-射極之間的連線采用雙絞屏蔽電纜，屏蔽層接地，二是采用快速吸收電路吸收過電壓。

圖五：EXB841與IGBT柵-極之間的連接電路原理

c EXB841的過流保護功能擴展
EXB841自身具有過流保護功能
，其保護原理是利用IGBT的集電極通態飽和壓降與集電極電流呈近似線性關係。當IGBT工作在正常狀態時
，EXB841的6腳電位箝製在8 V，內部保護不動作，當IGBT因承受過流而退出飽和狀態時
，IGBT集-射極間的電壓上升很多
，與EXB84l的6引腳相連的快速二極管截止
，EXB841的6引腳被懸空，內部保護動作，輸出驅動電壓慢慢下降，實現IGBT的軟關斷。

在實際應用中，僅靠EXB841的6引腳檢測IG-BT集電極電壓來實現過流保護並不足以有效地保護IGBT，因此有必要在主電路中加接霍爾電流傳感器來檢測電路中的過流
，如圖6所示。過流發生後，檢測電路檢測到電流，延時8μs後信號還存在的話。封鎖驅動信號以關斷IGBT。在圖中，霍爾電流傳感器如果在主電路中檢測到過流信號
，其中的PNP三極管將導通
，同時，NPN三極管被截止

，EXB841的6腳被懸空;當沒有過流信號時，PNP三極管不導通，NPN三極管導通，此時電路等效於擴展前的電路。

圖六：過電流保護擴展

結束語
本設計應用以上電路對IGBT進jin行xing驅qu動dong和he保bao護hu。此ci驅qu動dong電dian路lu是shi在zai典dian型xing驅qu動dong電dian路lu的de基ji礎chu上shang進jin行xing改gai進jin和he完wan善shan的de，並bing且qie自zi行xing設she計ji了le隔ge離li部bu分fen和he過guo電dian流liu保bao護hu擴kuo展zhan部bu分fen。此ci驅qu動dong電dian路lu相xiang對dui簡jian單dan、實用，對被驅動的IGBT有完善的保護能力，輸出阻抗低
，具有較強的抗幹擾性能。

應用這種IGBT模塊的有源濾波器的樣機通過試驗

，證明硬件能夠協調配合，控製效果穩定
、精確，並且已經批量製板。