中心議題：

• IGBT對驅動電路的要求
• IGBT驅動電路優化設計

解決方案：

• 觸發脈衝要具有足夠快的上升和下降速度
• 柵極串連電阻Rg要恰當
• 柵射電壓要適當

多絕緣柵雙極型晶體管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是一種由雙極型晶體管與MOSFET組合的器件，它既具有MOSFET的柵極電壓控製快速開關特性，又具有雙極型晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點，近年來在各種電能變換裝置中得到了廣泛應用。但是
，IGBT的門極驅動電路影響IGBT的通態壓降、開關時間、快開關損耗
、承受短路電流能力及du/dt等參數，並決定了IGBT靜態與動態特性。因此設計高性能的驅動與保護電路是安全使用IGBT的關鍵技術。

IGBT對驅動電路的要求
　　
（1）觸發脈衝要具有足夠快的上升和下降速度
，即脈衝前後沿要陡峭
；
　　
（2）柵極串連電阻Rg要恰當。Rg過小
，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高；Rg過大
，器件的開關速度降低，開關損耗增大

；
　　
（3）柵(zha)射(she)電(dian)壓(ya)要(yao)適(shi)當(dang)。增(zeng)大(da)柵(zha)射(she)正(zheng)偏(pian)壓(ya)對(dui)減(jian)小(xiao)開(kai)通(tong)損(sun)耗(hao)和(he)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)有(you)利(li)，但(dan)也(ye)會(hui)使(shi)管(guan)子(zi)承(cheng)受(shou)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)的(de)時(shi)間(jian)變(bian)短(duan)，續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)過(guo)電(dian)壓(ya)增(zeng)大(da)。因(yin)此(ci)
，正(zheng)偏(pian)壓(ya)要(yao)適(shi)當(dang)，通(tong)常(chang)為(wei)+15V。為了保證在C-E間出現dv/dt噪聲時可靠關斷
，關斷時必須在柵極施加負偏壓，以防止受到幹擾時誤開通和加快關斷速度

，減小關斷損耗
，幅值一般為-（5～10）V；
　　
（4）當IGBT處於負載短路或過流狀態時
，能在IGBT允許時間內通過逐漸降低柵壓自動抑製故障電流
，實現IGBT的軟關斷。驅動電路的軟關斷過程不應隨輸入信號的消失而受到影響。
　　
當然驅動電路還要注意像防止門極過壓等其他一些問題。日本FUJI公司的EXB841芯片具有單電源、正負偏壓、過流檢測
、保護
、軟關斷等主要特性，是一種比較典型的驅動電路。其功能比較完善
，在國內外得到了廣泛。
　　
驅動芯片EXB841的控製原理
　　
圖1為EXB841的驅動原理。其主要有三個工作過程：正常開通過程
、正常關斷過程和過流保護動作過程。14和15兩腳間外加PWM控製信號，當觸發脈衝信號施加於14和15引腳時，在GE兩端產生約16V的IGBT開通電壓；當觸發控製脈衝撤銷時，在GE兩端產生-5.1V的IGBT關斷電壓。過流保護動作過程是根據IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過流而進行保護的，Uce由二極管Vd7檢測。當IGBT開通時，若發生負載短路等發生大電流的故障
，Uce會上升很多，使得Vd7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點和C點電位開始由約6V上升，當上升至13V時
，Vz1被擊穿
，V3導通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，V6導通
，從而使IGBT的GE間電壓Uce下降，實現軟關斷，完成EXB841對IGBT的保護。射極電位為-5.1V，由EXB841內部的穩壓二極管Vz2決定。


圖1EXB841的工作原理[page]
　
作為IGBT的專用驅動芯片，EXB841有you著zhe很hen多duo優you點dian

，能neng夠gou滿man足zu一yi般ban用yong戶hu的de要yao求qiu。但dan在zai大da功gong率lv高gao壓ya高gao頻pin脈mai衝chong電dian源yuan等deng具ju有you較jiao大da電dian磁ci幹gan擾rao的de全quan橋qiao逆ni變bian應ying用yong中zhong，其qi不bu足zu之zhi處chu也ye顯xian而er易yi見jian。
　　
（1）過流保護閾值過高。通常IGBT在通過額定電流時導通壓降Uce約為3.5V，而EXB841的過流識別值為7.5V左右

，對應電流為額定電流的2～3倍，此時IGBT已嚴重過流。
　　
（2）存在虛假過流。一般大功率IGBT的導通時間約為1µs左右。實際上
，IGBT導通時尾部電壓下降是較慢的。實踐表明，當工作電壓較高時，Uce下降至飽和導通時間約為4～5µs，而過流檢測的延遲時間約為2.7µs.因此
，在IGBT開通過程中易出現虛假過流。為了識別真假過流
，5腳的過流故障輸出信號應延遲5µs，以便保護電路對真正的過流進行保護。
　　
（3）負偏壓不足。EXB841使用單一的20V電源產生+15V和-5V偏壓。在高電壓大電流條件下
，開關管通斷會產生幹擾
，使截止的IGBT誤導通。
　　
（4）過流保護無自鎖功能。在過流保護時，EXB841對IGBT進行軟關斷，並在5腳輸出故障指示信號
，但不能封鎖輸入的PWM控製信號。
　　
（5）無報警電路。在係統應用中
，IGBT發生故障時
，不能顯示故障信息，不便於操作。
　　
針對以上不足
，可以考慮采取一些有效的措施來解決這些問題。以下結合實際設計應用的具體電路加以說明。

驅動電路優化設計
　　
本文基於EXB841設計IGBT的驅動電路如圖2所示，包括外部負柵壓成型電路
、過流檢測電路、虛假過流故障識別與驅動信號鎖存電路，故障信息報警電路。
　　
⑴外部負柵壓成型電路
　　
針對負偏壓不足的問題，設計了外部負柵壓成型電路。
　　
如圖2所示，用外接8V穩壓管Vw1代替驅動芯片內部的穩壓管Vz2
，在穩壓管兩端並聯了兩個電容值分別為105µf和0.33µf的去耦濾波電容。為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，在柵射極間並聯了反向串聯的16V（V02）和8V（V03）穩壓二極管。為了改善控製脈衝的前後沿陡度和防止震蕩，減小IGBT集電極的電壓尖脈衝
，需要在柵極串聯電阻Rg。柵極串連電阻Rg要恰當
，Rg過小，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高
；Rg過大


，器件的開關速度降低
，開關損耗增大。優化電路采用了不對稱的開啟和關斷方法。在IGBT開通時，EXB841的3腳提供+16V的電壓
，電阻Rg2經二極管Vd1和Rg1並聯使Rg值較小。關斷時
，EXB841內部的V5導通
，3腳電平為0，優化驅動電路在IGBT的E極提供-8V電壓
，使二極管V01截止，Rg=Rg1具有較大值。並在柵射極間並聯大電阻
，防止器件誤導通。