一种大功率IGBT模块驱动电路设计

王佳军，陈息坤，顾隽楠，李睿莹，孙 泽

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444)

0 引 言

20世纪80年代中期出现了将绝缘栅型场效应管(MOSFET)和电力三极晶体管(BJT)通断机制相结合的新一代半导体电力开关器件——绝缘门极双极型晶体管(IGBT)。IGBT是一种复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出级为BJT，因此具有高输入阻抗、电压控制、驱动功率小、开关速度快等优点[1]，近年来不断应用于新能源发电以及变频整流等领域。

目前，国内外各大公司已有大量对于IGBT及其驱动电路的相关研究设计[2-9]。为实现IGBT正确的导通关断以及功率电路的安全稳定运行，驱动电路的正确设计必不可少。驱动电路输入输出的延时以及驱动电压和驱动功率等性能对于IGBT能否正常工作有着密切的影响，不仅要实现功率器件正常开通关断，同时也需要可靠的保护电路以便于在故障状态下可靠地关闭系统。

德州仪器推出的多款隔离型栅极驱动器，如UC21270_Q1、UCC21273_Q1等，可以帮助设计师开发出体积更小的逆变器以及充电装置；瑞士CONCEPT公司的SCALE系列驱动器较为广泛地应用在大功率场合，其采用独创的专用集成电路驱动芯片组；德国英飞凌公司2ED020I12系列等在不同应用场景有着极高的可靠性和安全性[2]；安森美半导体的FOD3120是2.5 A输出电流门的驱动光电耦合器，采用飞兆半导体专有的共面封装技术，具有高抗干扰、高共模抑制的特点[11-12]；青铜剑公司的驱动器采用高可靠、高集成度的IGBT驱动技术，能安全可靠地驱动IGBT。这些国内外公司制造的驱动模块往往依据本公司产品研发设计，成本价格方面各有不同。因此，设计一款性能良好、经济实惠的IGBT驱动器具有重要的意义。

本文在满足IGBT驱动电路设计要求的基础上，基于英飞凌公司的2ED020I12-F2，设计了一款大功率IGBT模块驱动电路。2ED020I12-F2驱动芯片峰值输出电流2 A，在驱动一些大功率IGBT模块时达不到驱动能力的要求，因此增加了周边放大电路，同时设计了低压反激电源完成隔离电源供给，并且将光纤传输技术用在该驱动电路中，防止驱动信号在传输过程中的干扰。最后，通过实验验证了该驱动电路的合理性和正确性。

1 IGBT驱动参数计算

1.1 IGBT驱动功率计算

IGBT为电压式驱动器，IGBT的等效模型如图1所示，其在门极与发射极、门极与集电极之间均存在等效电容。因此，可以等效为一个脉冲电压源对RC电路进行充放电的模型，我们需要知道的是其脉冲电压源功率及峰值电流。

图1 IGBT等效电路

IGBT作为一种复合型器件，它的输入控制部分为MOSFET，在栅极G和发射极E之间外加足够的正向电压使其完全饱和。根据相应的产品手册，其栅极一般选择在+15 V左右，可以快速有效地开通IGBT模块。一旦撤除栅极电压或者施加一个反压(一般在-5 V～-15 V之间)，IGBT模块将从通态转入断态。

IGBT开通和关断过程中，在驱动电阻以及功率器件组成的回路中产生了一些损耗，称其为驱动功率Pdrive。驱动功率与IGBT的栅极电荷量Qgate、开关频率f以及栅极驱动正负电压差值ΔU有关，其计算过程如下：

Pdrive=f×Qgate×ΔU

(1)

一般情况下栅极电荷量Qgate可以从所选IGBT产品手册获取。

栅极的充放电是没有能量损失的，因此该驱动功率消耗在驱动电阻以及外部电路上。

1.2 栅极电阻RG

栅极电阻的主要作用：

(1)消除振荡：由图1可知，IGBT栅极发射极之间存在等效电容，系统回路之间会存在寄生电感，因此在正常工作情况下会产生强烈振荡，为减轻或消除振荡，必须在栅极串入一定阻值的电阻。

(2)转移驱动器的功率损耗：IGBT模块的驱动功率大部分消耗在驱动器的输出管上，这会产生较高温升，因此栅极电阻可以有效地转移驱动器的功率损耗。

(3)调节IGBT开关速度：栅极电阻小，器件开关速度快，开关损耗小;栅极电阻大，器件开关速度慢，开关损耗大。但开关速度过快会导致电压电流变化率大幅度提高，从而产生较大干扰。

因此，选择合适大小的栅极电阻非常重要。在实际驱动电路设计时，根据具体驱动IGBT器件的不同，调整相应的阻值，以达到最优驱动效果。

1.3 驱动电流计算

驱动器的最大输出电流IGmax必须要大于实际栅极驱动电流，驱动器最大输出电流越大，则开关管电容充电时间越短，但不宜选取过大的输出电流，其计算公式如下：

(2)

式中：RG和RGint分别是栅极电阻以及IGBT内部等效栅极电阻。

1.4 外部放大电路参数计算

由于2ED020I12-F2输出峰值电流为2 A，在实际应用场景中驱动大功率IGBT器件较为困难。如图2所示，采用额外的外部放大电路可以将其输出电流扩大。此时，2ED020I12-F2将作为控制器，外部放大推挽电路由分立的NPN/PNP互补输出级构成，NPN/PNP晶体管须满足较快的开关速度以及足够大电流增益。

图2 外部放大电路

由上述可知，晶体管峰值集电极电流ICM应该大于实际栅极驱动电流:

(3)

在连接外部放大电路后，驱动器的损耗为电源到IGBT栅极消耗的功率即放大晶体管功率以及栅极电阻消耗的功率两部分。因此可以得知放大晶体管功率计算公式:

(4)

在使用外部放大电路时，驱动芯片的输出电流会大幅度减小，因此在实际应用场合要根据放大晶体管的增益hFE调节基极电阻器RB。最小基极电阻计算如下：

(5)

式中：Iout为驱动芯片输出最大峰值电流。

2 2ED020I12-F2介绍

2.1 芯片特点与驱动性能

2ED020I12-F2是英飞凌公司的一款采用无芯变压器隔离的双通道隔离式IGBT驱动器，主要用于600 V/1 200 V电压等级的IGBT，电流能力为2 A轨至轨输出，同时具有饱和压降检测以及有源米勒钳制等一些保护功能。具有两路独立输出、集成保护功能以及占地面积小等优点，被广泛应用于交流和无刷直流电机驱动、高压DC/DC转换器以及UPS系统等。

2.2 芯片内部与外部保护功能

2ED020I12-F2芯片设有多种内部以及外部保护功能，用以确保驱动电路正确可靠运行。主要保护功能如下：

(1)欠压锁定功能(UVLO)：当供电电压低于内部限电压13 V时，芯片会自动停止工作，并处于锁死状态。若芯片的供电电压正常，芯片READY引脚输出高电平，否则READY引脚置低。

(2)去饱和保护：确保在IGBT短路时对其进行保护。在IGBT正常工作情况下，DESAT电压上升到9 V时，检测到IGBT发生短路，输出被驱动为低电平，同时FAULT被激活输出低电平。

(3)米勒钳位保护：2ED020I12-F2内部存在开关管，当检测到门极电压UGE大于2 V时，内部开关管打开提供一路通道，确保CGE贮存的电荷快速释放，可以有效消除米勒效应。

(4)短路钳制保护：在短路期间，由于米勒电容CGC存在，IGBT的栅极电压上升，为防止上升到开启电压，外部附加保护电路加在OUTXX和CLAMPXX引脚间对其电压进行钳位。

3 光纤隔离驱动及系统供电设计

3.1 光纤隔离驱动设计

在大功率应用场景，高压大电流会带来一定的电磁兼容问题，影响系统的稳定运行。传统的隔离方式如变压器隔离以及光耦隔离等适用于中小功率，在大功率场合显得抗干扰能力不足，因此往往采用光纤传输驱动信号的方式。光纤传输的原理与光耦隔离相似，即通过光来传输驱动信号，因此可以有效地防止电磁干扰，适用于远距离传输，提高了驱动的可靠性。

本驱动电路实验设计的光纤隔离驱动如图3所示，包括控制器、光纤收发器、光纤以及驱动器等4部分。

图3 光纤隔离驱动原理框图

本驱动电路设计中光纤收发器选用的是安高华(AVAGO)公司的产品HFBR-1521和HFBR-2521系列。该系列内部为一电流驱动型LED，当有电流流经LED时，光纤被点亮，信号得以传输；当没有电流流经LED时，光纤熄灭。在光纤接收器电路端，因为存在逻辑反向，所以驱动信号输出侧接反相器，既有复原信号，又有整形和放大信号的作用。光纤接收器和光纤发送器的驱动电路如图4、图5所示。

图4 光纤发送器电路

图5 光纤接收器电路

3.2 驱动电路供电设计

由于2ED020I12-F2输入供电电压为+5 V，输出侧供电选择双电源供电，分别为两路相互独立的+15 V/-5 V双极性电源，同时光纤收发器供电也为+5 V。为此在满足供电电压标准以及隔离供电的条件上设计反激电路给驱动电路隔离供电。该反激电源采用UC3842芯片对其进行闭环控制，输入电压为+36 V，输出电压为分别为+5 V以及两路+15 V和-5 V。

4 实验结果

为测试该驱动电路设计的可靠性，将其应用于英飞凌公司的IGBT模块FF300R12KT4P，并搭建简单的电路以验证其驱动正确性，观察其隔离电源供电、输入输出延时、驱动电压等性能。其驱动板实物如图6所示。

图6 驱动器实物图

图7～图9分别为驱动器反激供电电源+5 V、+15 V和-5 V供电波形。由图7～图9可知，该反激电源在供电隔离的情况下，供电质量较好。将示波器设置到直流档可以测出输出电压稳定在+5 V、+15 V和-5 V。经长时间考核后发现该辅助电源能有效地给光纤收发器以及2ED020I12-F2供电。

图7 +5 V输出电压波形

图8 +15 V输出电压波形

图9 -5 V输出电压波形

图10～图12分别为控制器输出到驱动板输出驱动波形、控制器输出到驱动板输出开通延时、控制器输出到驱动板输出关断延时。通过实验结果可以发现，该驱动电路在保证放大驱动能力的同时驱动延时在300 ns左右，因此可以有效地开通关断大功率IGBT。

图10 控制器输出到驱动板输出驱动波形

图11 控制器输出到驱动板输出开通延时

图12 控制器输出到驱动板输出关断延时

5 结 语

IGBT驱动电路的可靠性决定了系统能否正常运行，大功率场合往往需要驱动电路具有足够的驱动能力。本文在基于2ED020I12-F2驱动芯片的基础上，设计并制作了一款可应用于大功率场合的IGBT模块驱动电路，同时在此基础上设计光纤传输技术传输驱动信号以及反激电源对驱动电路隔离供电，最终通过实验验证了其驱动可靠性与安全性，具有较好的效果。