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浅谈IGBT自举的驱动方式
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&浅谈IGBT自举的驱动方式
UGE增加，趋向于UGE(th)。最恶劣的情况是使该电压达阀值电压，该IGBT将被开通，导致桥臂短路。驱动电路输出阻抗不够小，沿栅极的灌入电流会在驱动电压上加上比较严重的毛刺干扰。
　　针对自举电路的不足，在实际应用中需对输出驱动电流进行改进，其改进方法是在栅极限流电阻上反并联一个二极管，但此方法在大功率下效果不太明显。对于大功率IGBT，可采用图2-2所示的电路，在关断期间将栅极驱动电平箝位到零电平。在桥臂上管开通期间，驱动信号使VT1导通、VT2截止。上管关断期间，VT1截止，VT2基极呈高电平而导通，将上管栅极电位拉到低电平（三极管的饱和压降）。这样，由于电容密勒效益产生的电流从VT2中流过，栅极驱动波形上的毛刺可以大大减小。下管同理。
二、负压驱动电路
　　在大功率IGBT驱动电路设计而中，各路驱动电源独立，集成驱动电流一般都有产生负压的功能，在IGBT关断期间在栅极上施加负电压，一般为-5V。其作用也是为了增强IGBT关断的可靠性，防止由于电容密勒效益而造成IGBT误导通。自举电路无这一功能，但可以通过加几个无源器件来实现负压的功能，如图3-3所示。在上下管驱动电路中均加上由C5和C6以及5V稳压管ZD1和ZD2组成的负压电路，其工作原理为：电源电压VCC为20V，在上电期间，电源通过R1给C6充电，C6上保持5V的电源。在下桥驱动光耦工作时， 下桥驱动光耦引脚5输出20V高电平，这时加在下管S2栅极上的电压为20V-5V=15V，IGBT正常导通。当下桥驱动光耦不工作时，下桥驱动光耦引脚5输出0V，此时S2栅极上的电压为-5V,从而实现关断时所需的负压。对于上管S1，在上桥驱动光耦工作时，上桥驱动光耦引脚5输出20V电压，加在S1栅极上的电压为15V。在上桥驱动光耦不工作时，上桥驱动光耦引脚5端输出为0V，S1栅极电压为-5V。由于IGBT为电压型驱动器件，所以负压电容C5和C6上的电压波动较小，维持在5V，自举电容上的电压也维持在20V左右，只在下管S2导通的瞬间有一个短暂的充电过程。IGBT的导通压降一般小于3V，负压电容C5的充电在S2导通时完成。对于C5、C6的选择，要求其容量大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容充电电路中的二极管VD1必需是快恢复二极管，应留有足够的电流裕量。
三、变频运行时自举电容的充放电
自举电容(C1)的从电时序
　　（1）:IGBT2导通（图4-4）
　　当IGBT2处于导通状态时，C1上的充电电压VC1可通过下式计算；
　　VC1=VCC-VF1-Vsat2-ID*R2（过度过程）
V　　C1=VCC（稳定状态）
　　此处VCC为控制电源电压，VF1为二极管D1的顺方向压降，Vsat2为IGBT2的饱和压降
　　然后，IGBT2被关断，此时上下桥臂同时处于关断状态，电机电流通过FWD1进入续流模式。当VS处电位上升至接近P处电位时C1停止充电。
　　当IGBT1处于导通状态时，由于驱动电路要消耗电流，所以C1上的电压将从VC1开始逐渐下降。（如图5-5）
（2）：IGBT2关断FWD2导通状态时
　　当IGBT2关断FWD2导通时，C1上的充电电压VC1可通过下式来计算：
　　VC1=VCC-VF1+VEC2
　　此处VEC2为FWD2的顺方向下压降,IGBT2和IGBT1都关断时，通过FWD2保持续流模式。因此，当VS处的电位下降到VEC2时，C1开始充电以恢复其下降的电位。当VS处电位上升至接近P电位水平时，C1停止充电。其后，IGBT1再次导通时，由于驱动电路要消耗电流，C1上的电压将从VC1(2)电位开始逐渐下降。
四、自举电容及栅极限流电阻的选取
　　自举电容由一个大电容和一个小电容并联组成，在频率为20KHz左右的工作状态下选用1uF的电容和0.1uF的电容并联使用。并联高频小电容用来吸收高频毛刺干扰电压。主电路上管的驱动电压波形峰顶不应出现下降的现象。驱动大容量的IGBT器件时，在工作频率较低的情况下要注意自举电容电压稳定性问题，故应选用较大容量的电容。
　　选择适当的栅极限流电阻对IGBT驱动来说相当重要，因为IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，所以栅极电阻将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的栅极电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。同时较小的栅极电阻增强了IGBT器件的耐固性，避免du/dt带来的误导通，但与此同时它只能承受较小的栅极噪声，并导致栅极-发射极之间的电容同驱动电路引线的寄生电感产生振荡问题。另外，较小的栅极电阻还使得IGBT开通时di/dt变大，会导致较高的du/dt，增加了反向恢复二级管的浪涌电压。在低频应用情况下，开关损耗不成为一个重要的考虑因素，栅极电阻增大可以提供较慢的开通速度，这时应当考虑栅极的瞬态电压和驱动电流。对于不同容量的IGBT，其栅极限流电阻有不同的取值。一般是功率越大的IGBT的栅极电阻越小，同时对栅极驱动电路的布线也有严格要求，引线电感应尽可能小。在实际应用中应根据具体的情况作调整，选取最合适的值。
　　采用自举驱动电路设计IGBT驱动电路时，应根据具体的应用情况采用不同的抗干扰措施。
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北京慧博时代科技有限公司位于朝阳区霄云路，是国内最早的一家专业维修各类工业、军工、航天等领域设备电路板的芯片级维修公司。公司自成立以来，已经先后为众多著名企业修复了各种不同的电路板和控制板，为多家单位解决了生产线上的技术难题，节约了宝贵的时间节省了大量的资金。
我们本着“精益求精”的宗旨,努力提高维修技术，扩展测试手段，丰富维修经验，更新测试设备。公司的维修工程师在上岗前，全部经过严格技术培训，通过理论和实践考试才能上岗。公司现有的维修工程师都是在公司内工作了五年以上的经验丰富的高级工程师。
一、我公司修复的电路板类型，其中主要有以下几类：
1.数控系统：西门子系列3系统、6系统、802D、802S、810M、810D、820系统、850、880系统及840C、840D、840Di系统等；法那科系列5系统、7系统、0系统、0i 、0im、0iC系统、15系统及18系统等；此外，还有哈斯数控加工中心、三菱、辛辛那提、海德汉、发格、大隈、AB及HELLER-NC80系统等
2.可编程控制器：西门子系列S5系列、S7系列；法那科系列、AB系列、欧姆龙系列及三菱系列等。
3.驱动器：西门子系列610型、611型及650型等；力士乐系列驱动器；法那科系列驱动器、欧陆驱动器、三洋、安川、MOOG、＊＊、SEW、大森、ABB、INDRAMANT系列进给及主轴驱动器等。
4.变频器：西门子、三菱、Sanken、富士、lenze、施耐德、丹佛斯、日立、安川、东芝、＊＊、ＬＧ、ABB及欧姆龙系列等。
5.电 源：各种工业用电源，包括NC电源、PLC电源、伺服电源等。
6.显示器：各类CRT显示器、触摸屏及各种大型显示屏等。
7.其 他：编码器、光栅尺、温控器、温控仪、读数头等。
二、我公司修复的电路板类型，按照行业可划分为：
电子行业：线路板(PCB)企业的所有设备（如钻机、锣机、曝光机等）上的电子线路控制板：cpu板、信号板、放大器、I/O板、镭射感应器、触摸显示器、各类特殊显示器等。SMT、SMD设备上的所有电子线路控制板、伺服控制器。
电梯行业：奥的斯、蒂森、迅达、三菱、日立、东芝、通力、中秀新纺、威森S系列、西门子OTIS、三洋等各种品牌电梯的主板、门机控制板、楼层显示板、光幕、电梯驱动器、电梯显示板、KCJ-15 W1板、I/O板等。&
宾馆行业：程控交换机、大型干洗（水洗）机、制冰机、跑步机、远水烟罩、热水器、划船训练器、环球大屏幕监视器，塔顶调光器、中央空调、消防控制板、水箱控制板、电源驱动器、保龄球设备、桑拿等。
印刷包装：CPU板、通讯板、显示器、光懦摺⒈嗦肫鳌⒈淦灯鳌⒏咚够缏钒濉⑸拱寤缏钒濉⒍鸦缏钒濉⒐帕障杂盎缏钒濉⒄张呕靼濉⒐獾绨濉⒋蜃只靼濉⑿∩L426规矩板、配页机电路板、输入/输出电路板、ABB继电器等。
纺织服装：水刺机、梳理机、铺网机、烘燥机、三菱高头机、上袖机、纺纱机、电脑绣花机、兄弟牌缝纫机、印花机、锁边机、染色机、涂层机的电路板以及各种进口的高档服装机器、日本JUKI牌、於仁牌服装机、意大利MACPI等机器电路板和控制板。
橡胶轮胎：X光线性探测器、钢丝带束层生产线、双复合挤出机、内衬层挤出生产线、钢丝压延机、钢丝帘布裁断机、重型密炼机、全钢一次性成型机、双模硫化机、全自动注塑机、橡胶挤出机、切粒机、涂布设备等。
食品包装：均质机、杀菌机、贴标机、计量机。
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基于M57962L的一种IGBT驱动电路设计方案
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　　IGBT的概念是20世纪80年代初期提出的。IGBT具有复杂的集成结构，它的工作频率可以远高于双极晶体管。IGBT已经成为功率半导体器件的主流。在10～100 kHz的中高压大电流的范围内得到广泛应用。IGBT进一步简化了功率器件的驱动电路和减小驱动功率。
& &　　IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。
& &　　当栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时从N+区注入到N-区的空穴(少子)对N-区进行电导调制，减小Ⅳ区的电阻Rdr ，使阻断电压高的IGBT也具有低的通态压降。当栅极上施以负电压时。MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被关断。
& &　　在IGBT导通之后。若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使集电极电流有所下降，但由于N-区中注入了大量的电子和空穴对，因而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。
& &　　2 驱动电路的设计
& &　　2.1 IGBT器件型号选择
& &　　1)IGBT承受的正反向峰值电压
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& &　　考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为1 200 V。
& &　　2)IGBT导通时承受的峰值电流。
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& &　　额定电流按380 V供电电压、额定功率30 kVA容量算。选用的IGBT型号为SEMIKRON公司的SKM400GA128D。
& &　　2.2 IGBT驱动电路的设计要求
& &　　对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv/dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系见表1。栅极正电压 的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和dVcE/dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE/dt 电流引起的误触发等问题(见表1)。
& &　　表1 IGBT门极驱动条件与器件特性的关系
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& &　　由于IGBT的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能的好坏将直接影响IGBT能否正常工作。为使IGBT能可靠工作。IGBT对其驱动电路提出了以下要
& &　　1)向IGBT提供适当的正向栅压。并且在IGBT导通后。栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGBT不退出饱和区。IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE越高，VDS傩就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V为宜。
& &　　2)能向IGBT提供足够的反向栅压。在IGBT关断期间，由于电路中其他部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号，这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态，增加管子的功耗。重则将使调压电路处于短路直通状态。因此，最好给处于截止状态的IGBT加一反向栅压f幅值一般为5～15 V)，使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。
& &　　3)具有栅极电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为+20 V，驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。
& &　　4)由于IGBT多用于高压场合。要求有足够的输人、输出电隔离能力。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。
& &　　5)IGBT的栅极驱动电路应尽可能的简单、实用。应具有IGBT的完整保护功能，很强的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。
& &　　2.3 驱动电路的设计
& &　　隔离驱动产品大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅，采用厚膜或工艺支撑，部分阻容元件由引脚接入。这种产品主要用于IGBT的驱动，因IGBT具有电流拖尾效应，所以光耦驱动器无一例外都是负压关断。
& &　　M57962L是日本三菱电气公司为驱动IGBT设计的厚膜集成电路，实质是隔离型放大器，采用光电耦合方法实现输入与输出的电气隔离，隔离电压高达2 500 V，并配置了短路/过载保护电路。
& &　　M57962L可分别驱动600 V/200 A和600 V/400 A级IGBT模块，具有很高的性价比。本次课题设计中选用的IGBT最大电流400 A考虑其他隔离要求及保护措施，选用了M57962L设计了一种IGBT驱动电路。
& &　　图1为M57962L内部结构框图，采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻(约185 &O)，可将5 V的电压直接加到输入侧。它采用双电源驱动结构，内部集成有2 500 V高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路、过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口，驱动电信号延迟最大为1.5us。
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& &图1 M57962L的结构框图
& &　　当单独用M57962L来驱动IGBT时。有三点是应该考虑的。首先。驱动器的最大电流变化率应设置在最小的RG电阻的限制范围内，因为对许多IGBT来讲，使用的RG偏大时，会增大td(on )(导通延迟时间)，td(off)(截止延迟时间)，tr(上升时间)和开关损耗，在高频应用(超过5 kHz)时，这种损耗应尽量避免。另外。驱动器本身的损耗也必须考虑。
& &　　如果驱动器本身损耗过大，会引起驱动器过热，致使其损坏。最后，当M57962L被用在驱动大容量的IGBT时，它的慢关断将会增大损耗。引起这种现象的原因是通过IGBT的Gres(反向传输电容)流到M57962L栅极的电流不能被驱动器吸收。它的阻抗不是足够低，这种慢关断时间将变得更慢和要求更大的缓冲电容器应用M57962L设计的驱动电路见图2。
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& &图2 IGBT驱动电路
& &　　电源去耦电容C2 ～C7采用铝电解电容器，容量为100 uF/50 V，R1阻值取1 k&O，R2阻值取1.5k&O，R3取5.1 k&O，电源采用正负l5 V电源模块分别接到M57962L的4脚与6脚，逻辑控制信号IN经l3脚输入驱动器M57962L。双向稳压管Z1选择为9.1 V，Z2为18V，Z3为30 V，防止IGBT的栅极、发射极击穿而损坏驱动电路，二极管采用快恢复的FR107管。
& &　　2.4 栅极驱动电阻的选择
& &　　使用M57962L，必须选择合适的驱动电阻。为了改善栅极控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减小集电极电流的上升率(di/dt)，需要在栅极回路中串联电阻RG，若栅极电阻过大，则IGBT的开通与关断能耗均增加;若栅极电阻过小则使dic/dt 过大可能引发IGBT的误导通，同时R。上的能耗也有所增加。所以选择驱动电阻阻值时，要综合考虑这两方面的因素，并防止输出电流，IOP超过极限值5 A.RG 的选取可以依据公式：
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& &　　对大功率的IGBT模块来说，RGMIN数值一般按下式计算：
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& &　　这是因为对于大功率的IGBT模块，为了平衡模块内部栅极驱动和防止内部的振荡，模块内部的各个开关器件都会包含有栅极电阻器R G(INT) ，R G(INT) 数值视模块种类不同而不同，一般在0.75-3&O 之间，而f的数值则依靠栅极驱动电路的寄生电感和驱动器的开关速度来决定，所以获得 R GMIN 的最佳办法就是在改变RG时监测IOP，当IOP达到最大值时，RG达到极限值R GMIN 。
& &　　但在使用中应注意，RG不能按前面的公式计算，而要略大于R GMIN 。如RG过小会造成IGBT栅极注入电流过大，使IGBT饱和，无法关断，即在驱动脉冲过去的一段时间内IGBT仍然导通。
& &　　本设计中要驱动IGBT为大电流的功率器件，所以在选择RG时综合上述的要求，选取RG为3.5&O。
& &　　3 结束语
& &　　本设计电路已经成功应用在助航灯恒流调光器电源中，取得较好的实用效果。
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都柏林大学圣三一学院教授Jonathan Coleman说：“这个想法来自于在实验室中随意地动手
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