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由分立元件组成的IGBT驱动电路

IGBT驱动电路是如何由分立元件构成的?

典型的分立式驱动电路的核心任务是:接收来自控制芯片(例如MCU、PWM芯片)的微弱信号,并将其放大为能够快速、强力地驱动IGBT栅极的电流源和电流吸收器。其主要设计考虑因素与集成电路驱动器类似,但所有功能都需要使用分立元件来实现:

  • 提供足够的驱动电流: 实现IGBT栅极电容(Cge,Cgc)的快速充放电,缩短开关时间,降低开关损耗。
  • 提供合适的驱动电压:通常导通电压为 +15V ±10%,关断电压为 -5V 至 -15V。负电压关断可以增强抗干扰能力,并防止米勒电容效应引起的误导。
  • 实现快速切换速度: 要求推挽输出级具有非常低的输出阻抗。
  • 必要的保护功能: 例如栅极电阻选择、栅极钳位、有源米勒钳位等(更复杂的保护,如饱和检测,很难实现)。
Section image

因此,人们开发出了由不同分立元件驱动的不同类型的驱动电路:

驱动电路(电压型)

图 1a 所示的驱动电路适用于驱动低频小功率 IGBT。当控制信号 Vi 为高电平时,V1 导通,输出 Vo 对应于被控导通的 IGBT(IGBT);当控制信号 Vi 为低电平时,V2 导通,输出 Vo 对应于被控关断的 IGBT(IGBT) 。

Drive Circuit (Voltage Type)

图 1 驱动电路(电压型)

图 1b 所示的驱动电路由场效应晶体管组成,构成推挽电路,其工作原理与图 1a 所示相同。该电路在高频下可实现超过 10A 的峰值驱动电流,适用于大功率 IGBT 器件。

驱动和保护集成电路

图2所示为驱动和保护集成电路,适用于驱动低频低功率IGBT。如果将双极型NPN和PNP晶体管替换为N沟道和P沟道大功率场效应晶体管,则可以形成高频大电流驱动器。

 Integrated Drive and Protection Circuit

图 2 集成驱动和保护电路

如图2所示的集成驱动保护电路中,信号隔离并非采用光耦合器,而是使用磁环变压器耦合方波信号。由于光耦合器的速度不够快,且沿光耦合器传输的上升沿和下降沿存在延迟,因此使用变压器进行传输可以获得陡峭的上升沿和下降沿,几乎没有传输延迟。该电路适用于驱动高频大功率IGBT器件。该电路具有驱动速度快、过流保护动作迅速等优点,是一种较为理想的集成驱动保护实用型IGBT驱动电路。

基于分立元件的IGBT驱动电路

图 4 所示的驱动电路是一个采用分立元件(例如光耦合器)构建的 IGBT 驱动电路。当施加输入控制信号时,光耦合器 VLC 导通,晶体管 V2 截止,晶体管 V3 导通,输出 +15V 驱动电压。当输入控制信号为零时,VLC 截止,V2 和 V3 导通,输出 -10V 电压。+15V 和 -10V 电源应靠近驱动电路。从驱动电路输出端和电源地端到 IGBT 的栅极和发射极的引线应使用双绞线,长度最好不超过 0.5 m。

IGBT driver circuit composed of discrete components

图 4:由分立元件组成的 IGBT 驱动电路

设计IGBT驱动电路时,应注意以下几点:

  • IGBT的栅极耐压通常在±20V左右。因此,驱动电路的输出端需要设置栅极过压保护电路。常见的做法是在栅极并联一个稳压二极管或电阻。并联稳压二极管的缺点是会增加等效输入电容Cin,从而影响开关速度。并联电阻的缺点是会降低输入阻抗并增加驱动电流。具体选择应根据实际需要而定。
  • 尽管IGBT所需的驱动功率很小,但由于MOSFET的输入电容Cin ,在开关过程中需要对该电容进行充放电。因此,驱动电路的输出电流必须足够大。假设在导通驱动期间,MOSFET的输入电容Cin在上升时间tr内线性充电,则驱动电流为IGE = Cin × VGS / tr ,其中tr可取2.2RCin,R为输入回路电阻。
  • 为了可靠地关断IGBT并防止锁定效应,需要在栅极施加负偏置电压。因此,驱动电路需要使用双电源供电。

对于低功耗、低成本和非关键性应用,简单的分立式驱动电路是一个可行的选择。对于中高功率或高可靠性要求的应用, SHYSEMI强烈建议使用专用的 IGBT 驱动芯片。由于该驱动芯片集成了推挽输出、隔离、欠压保护、欠压检测和有源米勒钳位功能,因此能够显著简化设计并大幅降低成本,同时显著提高系统的可靠性和安全性。通常情况下,这比分立式方案更具成本效益。


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