IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。
當柵極施以正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時從N+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴(少子)對N-區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制，減?、魠^(qū)的電阻Rdr ，使阻斷電壓高的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。當柵極上施以負電壓時。MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。
在IGBT導(dǎo)通之后。若將柵極電壓突然降至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使集電極電流有所下降，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子和空穴對，因而集電極電流不會馬上為零，而出現(xiàn)一個拖尾時間。
2 驅(qū)動電路的設(shè)計
2.1 IGBT器件型號選擇
1)IGBT承受的正反向峰值電壓
考慮到2-2.5倍的安全系數(shù)，可選IGBT的電壓為1 200 V。
2)IGBT導(dǎo)通時承受的峰值電流。
額定電流按380 V供電電壓、額定功率30 kVA容量算。選用的IGBT型號為SEMIKRON公司的SKM400GA128D。
2.2 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計要求
對于大功率IGBT，選擇驅(qū)動電路基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門極負偏壓則對關(guān)斷特性的影響比較大。在門極電路的設(shè)計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問題(見表1)。
表1 IGBT門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系
由于IGBT的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動電路的變化而變化，因而驅(qū)動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。為使IGBT能可靠工作。IGBT對其驅(qū)動電路提出了以下要
1)向IGBT提供適當?shù)恼驏艍?。并且在IGBT導(dǎo)通后。柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的驅(qū)動電壓和電流要有足夠的幅度，使IGBT的功率輸出級總處于飽和狀態(tài)。瞬時過載時，柵極驅(qū)動電路提供的驅(qū)動功率要足以保證IGBT不退出飽和區(qū)。IGBT導(dǎo)通后的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān)，在漏源電流一定的情況下，VGE越高，VDS儺就越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允許超過20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。通常，綜合考慮取+15 V為宜。
2)能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止狀態(tài)的IGBT加一反向柵壓f幅值一般為5～15 V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。
3)具有柵極電壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。
4)由于IGBT多用于高壓場合。要求有足夠的輸人、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。
5)IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能的簡單、實用。應(yīng)具有IGBT的完整保護功能，很強的抗干擾能力，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。
2.3 驅(qū)動電路的設(shè)計
隔離驅(qū)動產(chǎn)品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動信號和被驅(qū)動的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產(chǎn)品主要用于IGBT的驅(qū)動，因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，所以光耦驅(qū)動器無一例外都是負壓關(guān)斷。
M57962L是日本三菱電氣公司為驅(qū)動IGBT設(shè)計的厚膜集成電路，實質(zhì)是隔離型放大器，采用光電耦合方法實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離，隔離電壓高達2 500 V，并配置了短路/過載保護電路。
M57962L可分別驅(qū)動600 V/200 A和600 V/400 A級IGBT模塊，具有很高的性價比。本次課題設(shè)計中選用的IGBT最大電流400 A考慮其他隔離要求及保護措施，選用了M57962L設(shè)計了一種IGBT驅(qū)動電路。
圖1為M57962L內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，采用光耦實現(xiàn)電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開關(guān)運行，光耦的原邊已串聯(lián)限流電阻(約185 Ω)，可將5 V的電壓直接加到輸入側(cè)。它采用雙電源驅(qū)動結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路、過電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，驅(qū)動電信號延遲最大為1.5us。
圖1 M57962L的結(jié)構(gòu)框圖
當單獨用M57962L來驅(qū)動IGBT時。有三點是應(yīng)該考慮的。首先。驅(qū)動器的最大電流變化率應(yīng)設(shè)置在最小的RG電阻的限制范圍內(nèi)，因為對許多IGBT來講，使用的RG偏大時，會增大td(on )(導(dǎo)通延遲時間)，td(off)(截止延遲時間)，tr(上升時間)和開關(guān)損耗，在高頻應(yīng)用(超過5 kHz)時，這種損耗應(yīng)盡量避免。另外。驅(qū)動器本身的損耗也必須考慮。
如果驅(qū)動器本身損耗過大，會引起驅(qū)動器過熱，致使其損壞。最后，當M57962L被用在驅(qū)動大容量的IGBT時，它的慢關(guān)斷將會增大損耗。引起這種現(xiàn)象的原因是通過IGBT的Gres(反向傳輸電容)流到M57962L柵極的電流不能被驅(qū)動器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關(guān)斷時間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應(yīng)用M57962L設(shè)計的驅(qū)動電路見圖2。
圖2 IGBT驅(qū)動電路
電源去耦電容C2 ～C7采用鋁電解電容器，容量為100 uF/50 V，R1阻值取1 kΩ，R2阻值取1.5kΩ，R3取5.1 kΩ，電源采用正負l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號IN經(jīng)l3腳輸入驅(qū)動器M57962L。雙向穩(wěn)壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V，Z3為30 V，防止IGBT的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅(qū)動電路，二極管采用快恢復(fù)的FR107管。
2.4 柵極驅(qū)動電阻的選擇
使用M57962L，必須選擇合適的驅(qū)動電阻。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流的上升率(di/dt)，需要在柵極回路中串聯(lián)電阻RG，若柵極電阻過大，則IGBT的開通與關(guān)斷能耗均增加;若柵極電阻過小則使dic/dt 過大可能引發(fā)IGBT的誤導(dǎo)通，同時R。上的能耗也有所增加。所以選擇驅(qū)動電阻阻值時，要綜合考慮這兩方面的因素，并防止輸出電流，IOP超過極限值5 A.RG 的選取可以依據(jù)公式：
對大功率的IGBT模塊來說，RGMIN數(shù)值一般按下式計算：
這是因為對于大功率的IGBT模塊，為了平衡模塊內(nèi)部柵極驅(qū)動和防止內(nèi)部的振蕩，模塊內(nèi)部的各個開關(guān)器件都會包含有柵極電阻器R G(INT) ，R G(INT) 數(shù)值視模塊種類不同而不同，一般在0.75—3Ω 之間，而f的數(shù)值則依靠柵極驅(qū)動電路的寄生電感和驅(qū)動器的開關(guān)速度來決定，所以獲得 R GMIN 的最佳辦法就是在改變RG時監(jiān)測IOP，當IOP達到最大值時，RG達到極限值R GMIN 。
但在使用中應(yīng)注意，RG不能按前面的公式計算，而要略大于R GMIN 。如RG過小會造成IGBT柵極注入電流過大，使IGBT飽和，無法關(guān)斷，即在驅(qū)動脈沖過去的一段時間內(nèi)IGBT仍然導(dǎo)通。
本設(shè)計中要驅(qū)動IGBT為大電流的功率器件，所以在選擇RG時綜合上述的要求，選取RG為3.5Ω。
3 結(jié)束語
本設(shè)計電路已經(jīng)成功應(yīng)用在助航燈恒流調(diào)光器電源中，取得較好的實用效果。