IGBT高壓大功率驅動和保護電路的應用及原理

通過對功率器件IGBT的工作特性分析、驅動要求和保護方法等討論，介紹了的一種可驅動高壓大功率IGBT的集成驅動模塊HCPL-3I6J的應用

關鍵詞：IGBT；驅動保護電路；電源

IGBT在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應用。IGBT集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優點。

但是，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應用還依賴于電路條件和開關環境。因此，IGBT的驅動和保護電路是電路設計的難點和重點，是整個裝置運行的關鍵環節。

為解決IGBT的可靠驅動問題，國外各IGBT生產廠家或從事IGBT應用的企業開發出了眾多的IGBT驅動集成電路或模塊，如國內常用的日本富士公司生產的EXB8系列，三菱電機公司生產的M579系列，美國IR公司生產的IR21系列等。但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列沒有軟關斷和電源電壓欠壓保護功能，而惠普生產的HCLP一316J有過流保護、欠壓保護和1GBT軟關斷的功能，且價格相對便宜，因此，本文將對其進行研究，并給出1700V，200～300A IGBT的驅動和保護電路。

1 IGBT的工作特性
IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流與驅動功率非常小，可直接與模擬或數字功能塊相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通與關斷是由柵極電壓UGE來控制的，當UGE大于開啟電壓UGE(th)時IGBT導通，當柵極和發射極間施加反向或不加信號時，IGBT被關斷。

IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區、飽和區和截止區，其主要作為開關器件應用。在驅動電路中主要研究IGBT的飽和導通和截止兩個狀態，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。

2 IGBT驅動電路要求
在設計IGBT驅動時必須注意以下幾點。

1)柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時，．IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區而進入線性放大區域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤UGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選一5V為宜。另外，IGBT開通后驅動電路應提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區而損壞。

2)IGBT快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關頻率不宜過大，因為高速開通和關斷時，會產生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

3)選擇合適的柵極串聯電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce／dt，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗。合適的CG有利于抑制dic／dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic／dt效果不明顯。

4)當IGBT關斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現象發生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯的穩壓二極管，其穩壓值應與正負柵壓相同。

3 HCPL-316J驅動電路
3.1 HCPL-316J內部結構及工作原理
HCPL-316J的內部結構如圖1所示，其外部引腳如圖2所示。

從圖1可以看出，HCPL-316J可分為輸入IC(左邊)和輸出IC(右邊)二部分，輸入和輸出之間完全能滿足高壓大功率IGBT驅動的要求。