一种基于数字可编程芯片的大功率IGBT驱动电路

孙浩++杨媛++李春雷

摘要：本文首先介绍了门极电阻对IGBT开关状态的影响。并提出了一种基于数字可编程芯片的大功率IGBT驱动电路，该驱动电路可自主的判断出IGBT所处的开关过程中的各个阶段，根据对应的不同开关阶段，动态的选择对应的栅极驱动电阻，实现对IGBT开关过程的调节。实验结果表明，该驱动电路可以优化IGBT的开关特性，达到预期的设计目标。

关键词：IGBT 数字可编程 驱动电路

中图分类号：TM383.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0099-01

IGBT是由功率MOSFET和BJT复合而成的一种半导体功率器件，它集二者的优点于一身，在轨道交通、智能电网、新能源等产业中有着广泛的应用。IGBT作为功率开关器件，开关损耗过高容易使器件结温升高，而造成器件的损伤[1-2]。另一方面，开关过程中过高的反向恢复电流尖峰会造成反并联二极管的损坏，过高的关断过压尖峰容易造成IGBT的击穿损坏。

1 电阻对IGBT开关状态的影响

IGBT在驱动时，其开通和关断是通过栅极电阻给栅极电容充放电来实现的。栅极-发射极间回路中的电感和电容都属于无功元件，若无栅极驱动电阻，则驱动过程中的大部分功率都会直接消耗在驱动器内部的输出管上，这会造成输出管结温大幅度上升，影响IGBT的正常工作，严重时甚至烧毁IGBT。

在栅极驱动电压不变的情况下，驱动电阻的大小直接影响着IGBT开关过程中的开通关断时间、开通关断损耗、驱动器EMI、集电极电压变化速率dVCE/dt、集电极电流变化速率dIC/dt和续流二极管的反向恢复电流等[3]。若是采用阻值较小的栅极驱动电阻，会加快IGBT的开通和关断速率，减小开关损耗。但是，这样会增大门极电阻上的损耗，增大关断时的电流变化率dIC/dt，从而在杂散电感上感应出较高的关断电压尖峰，可能造成擎住效应的发生，一旦电压尖峰超过了IGBT的额定电压，会影响IGBT的安全工作；同时采用阻值小的电阻会导致门极驱动导线的寄生电感和门极一发射极电容CGE产生振荡[5]。

2 IGBT驱动电路

数字可编程IGBT驱动电路可以在IGBT的开关过程中，通过VCE检测电路和VGe检测电路对IGBT开关过程进行在线监测，将检测信号送入数字芯片处理，数字可编程芯片通过反馈的VCE和VGe电压信号判断出IGBT的开关进度，选择对应的栅极驱动电阻来优化IGBT的开关过程。其具体的控制策略如下所示：

动态开通过程：外部驱动信号为高电平，在IGBT的栅极和发射极之间施加+15V的开通电压，①从施加开通电压到IGBT栅极电压VGe上升至IGBT的开通阈值Vth前，IGBT处于正向阻断区（截止区），集电极电流IC几乎为0，该阶段使用一个阻值较小的驱动电阻，以减小IGBT的开通延时。②栅极电压VGe上升至IGBT的开通阈值Vth时，IC从零开始增大，此过程中的电流变化速率与栅极驱动电阻的大小有关，而二极管反向恢复电流大小与回路中电流变化率dIC/dt紧密相关，因此此过程选用阻值较大的栅极电阻可降低dI/dt，从而可减小电流尖峰；③集电极电压VCE开始下降，栅极电压VGe升至其米勒平台值Vth，此过程中可采用较小的电阻来加快集电极电压的下降速率，从而缩短开通时间；④当VCE的值接近门极电压VGe时，米勒电容迅速增大使得集电极电压的下降速率dVCE/dt快速降低，此过程可采用更小的电阻来使IGBT快速地完全进入饱和区，减小开通时间，减小开通损耗。

动态关断过程：外部驱动信号为低电平，在IGBT的栅极和发射极之间施加-15V的关断电压，①施加关断电压后，IGBT的栅极电容开始被放电，栅极电压下降至米勒平台，此过程中可使用一个阻值较小的驱动电阻，加快IGBT的关断速率。②IGBT的栅极电压被箝位在米勒平台，VCE开始上升，此时可采用较大的电阻来降低集电极电压的上升速率dVCE/dt，从而减小关断过压尖峰。③集电极电压已达到IGBT的母线电压值，集电极电流IC开始下降，此时电流的下降会在功率回路的寄生电感上产生感应电压，感应电压叠加在母线电压上会使IGBT功率极所加的电压变大，过快的电流下降速率会造成IGBT的过压击穿。

3 实验结果分析

實验采用三菱公司4500V/900A型IGBT模块进行验证，母线电压为2800V，负载为310μH。分别通过单一阻值的驱动器和数字可编程IGBT驱动器对该IGBT进行双脉冲测试。

单一阻值的驱动器驱动时，其开通时间ton=6μs，关断时间toff=3μs，电流尖峰IRRM=1600A，电压尖峰VCEM=3660V。数字可编程IGBT驱动器驱动时，其开通时间ton=3μs，关断时间toff=2.5μs，电流尖峰IRRM=1600A，电压尖峰VCEM=3260V。分析对比可得该驱动能优化IGBT开关过程，验证了方案的可行性。

4 结语

本文提出了一种基于可编程数字芯片的大功率IGBT驱动电路设计方案，该方案结合IGBT的开关过程中驱动电阻对其开关特性的影响，动态的调整其门极驱动电阻，优化IGBT的开关特性，实验结果也表明，在保证dIC/dt和dVCE/dt出于安全范围的情况下，缩短了IGBT的开关时间，减少其开关损耗。

参考文献

[1]刘海红，杨媛，刘海锋.大功率IGBT驱动保护方法研究进展综述[J].电子设计工程，2015，v.23；No.30907：104-106+110.

[2]袁立强，赵争鸣，宋高升，等.电力半导体器件原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2011.