IGBT與MOS管、可控硅的區別 IGBT驅動電路設計

IGBT和MOS管的區別：

IGBT在結構上是NPN行MOSFET增加一個P結，即NPNP結構，在原理上是MOS推動的P型BJT；

多的這個P層因內有載流子，有電導調制作用，可以使IGBT在跟高電壓和電流下，有很低的壓降，因此IGBT可以做到很高電壓（目前最大6500V），但由于載流子存在，IGBT關斷是電流會拖尾，關斷速度會減低；MOS就是MOSFET的簡稱了；IGBT和MOS是全控器件，是電壓型驅動，即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件；可控硅是半控器件，電流型驅動，即給柵極通一定的電流，可以是可控硅開通，但是一旦開通，就不受柵極控制，將柵極的電壓電流信號去除，仍然保持開通，只用流過可控硅的電流減小，或可控硅AK兩端加反壓，才能關斷；IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz，但可控硅一般在1KHz以內。

IGBT和可控硅的區別：

可控硅也叫晶閘管，分雙向和單向，單向可控硅也是單向導通，可以實現整流，但它通過控制導通角可以實現可控整流程 IGBT：絕緣柵場效應晶體管，作用類似三極管，但在這里當開關管用（不能用于放大狀態），通過控制G極可以實現C，E兩端的通斷。一般可用在逆變回路中。

IGBT驅動電路設計：

IGBT驅動電路的作用是驅動IGBT模塊以能讓其正常工作，同時對IGBT模塊進行保護。IGBT 驅動電路的作用對整個IGBT構成的系統來說至關重要。IGBT是電路的核心器件，它可在高壓下導通，并在大電流下關斷，在硬開關橋式電路中，功率器件IGBT能否正確可靠地使用起著至關重要的作用。驅動電路就是將控制電路輸出的PWM信號進行功率放大，以滿足驅動IGBT的要求，驅動電路設計的是否合理直接關系到IGBT的安全、可靠使用。IGBT驅動電路還為IGBT器件提供門極過壓、短路保護、過流保護、過溫保護、Vce過壓保護（有源鉗位）、門極欠壓保護，didt保護（短路過流保護的一種）。

IGBT驅動電路的設計

設計IGBT驅動電路需要考慮的性能參數

1）IGBT在電路中承受的正反向峰值電壓，可以由下面的公式導出：

設計驅動電路時需要考慮到2-2.5倍的安全系數，可選IGBT的電壓為1200V。

2）在電路中IGBT導通時需要承受的峰值電流，可以由下面的公式導出：

2.IGBT驅動器的選擇

在實際電路中，柵極電阻的選擇要考慮開關速度的要求和損耗的大小。柵極電阻也不是越小越好，當柵極電阻很小時，IGBT的CE間電壓尖峰過大 柵極電阻很大時，又會增大開關損耗。所以，選擇IGBT驅動器時要在尖峰電壓能夠承受的范圍內適當減小柵極電阻。由于電路中的雜散電感會引起開關狀態下電壓和電流的尖峰和振鈴，在實際的驅動電路中，連線要盡量短，并且驅動電路和吸收電路應布置在同一個PCB板上，同時在靠近IGBT的GE間加雙向穩壓管， 以箝位引起的耦合到柵極的電壓尖峰。

對于大功率IGBT，設計和選擇驅動基于以下的參數要求：器件關斷偏置、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的通態壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dv／dt電流等參數有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關系見表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斷特性的影響比較大。在門極電路的設計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE／dt 電流引起的誤觸發等問題（見下圖）。

3.IGBT驅動電路的設計

隔離驅動產品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵，采用厚膜或PCB工藝支撐，部分阻容元件由引腳接入。這種產品主要用于IGBT的驅動，因IGBT具有電流拖尾效應，所以光耦驅動器無一例外都是負壓關斷。下面我們就以M57962L來為基礎設計相關的驅動電路！

下圖為M57962L驅動器的內部結構框圖，采用光耦實現電氣隔離，光耦是快速型的，適合高頻開關運行，光耦的原邊已串聯限流電阻（約185 Ω），可將5 V的電壓直接加到輸入側。它采用雙電源驅動結構，內部集成有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，驅動電信號延遲最大為1.5us。

當單獨用M57962L來驅動IGBT時。有三點是應該考慮的。首先。驅動器的最大電流變化率應設置在最小的RG電阻的限制范圍內，因為對許多IGBT來講，使用的RG 偏大時，會增大td（on ）（導通延遲時間），t d（off）（截止延遲時間），tr（上升時間）和開關損耗，在高頻應用（超過5 kHz）時，這種損耗應盡量避免。另外。驅動器本身的損耗也必須考慮。

如果驅動器本身損耗過大，會引起驅動器過熱，致使其損壞。最后，當M57962L被用在驅動大容量的IGBT時，它的慢關斷將會增大損耗。引起這種現象的原因是通過IGBT的Gres（反向傳輸電容）流到M57962L柵極的電流不能被驅動器吸收。它的阻抗不是足夠低，這種慢關斷時間將變得更慢和要求更大的緩沖電容器應用M57962L設計的驅動電路如下圖。

電路說明：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l3腳輸入驅動器M57962L。雙向穩壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V，Z3為30 V，防止IGBT的柵極、發射極擊穿而損壞驅動電路，二極管采用快恢復的FR107管。

多電路輸出的IGBT驅動設計

工作原理為：PWM控制芯片輸出的兩路反相PWM 信號經元件組成的功率放大電路放大之后，再經脈沖變壓器隔離耦合輸出4路驅動信號。4路驅動信號根據觸發相位分為相位相反的兩組。驅動信號1與驅動信號3同相位，驅動信號2與驅動信號４同相位。該電路采用脈沖變壓器實現了被控IGBT高電壓主回路與控制回路的可靠隔離，IGBT 的GE間的穩壓管用于防止干擾產生過高的ＵＧＥ而損壞IGBT的控制極。與MOSFET一樣，負偏壓可以防止母線過高ｄｕ／ｄｔ造成門極誤導通。但只要控制好母線電壓瞬態過沖，可不需要IGBT的負偏壓。此電路中，脈沖變壓器次級接相應電路將驅動波形的負脈沖截去，大大減少了驅動電路的功耗。

由于IGBT的開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路的變化而變化，因而驅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驅動電路需要滿足以下要求：

1．提供一定的正向和反向驅動電壓，使IGBT能可靠地開通和關斷。

2．提供足夠大的瞬時驅動功率或瞬時驅動電流，使IGBT能及時迅速地建立柵控電場而導通。

3．具有盡可能小的輸入、輸出延遲時間，以提高工作頻率。

4．足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅動電路絕緣。

5．具有靈敏的過電流保護能力。

IGBT驅動電路設計的趨勢

集成化模塊構成的IGBT柵控電路因其性能可靠、使用方便，從而得到了普遍應用，也是驅動電路的發展方向。各大公司均有不同系列的IGBT驅動模塊，其基本功能類似，各項控制性能也在不斷提高。例如富士公司的EXB系列驅動模塊內部帶有光耦合器件和過電流保護電路，它的功能如下圖所示。

EXB系列驅動模塊與IGBT之間的外部接口電路如下圖所示。驅動信號經過外接晶體管的放大，由管腳14和管腳15輸入模塊。過電流保護信號由測量反映元件電流大小的通態電壓vCE 得出，再經過外接的光耦器件輸出，過電流時使IGBT立即關斷。二只33uF的外接電容器用于吸收因電源接線所引起的供電電壓的變化。管腳1和管腳3的引線分別接到IGBT的發射極E和門極G，引線要盡量短，并且應采用絞合線，以減少對柵極信號得到干擾。圖中D為快速恢復二極管。

由于IGBT在發生短路后是不允許過快地關斷，因為此時短路電流已相當大，如果立即過快關斷會造成很大的di/dt，這在線路分布電感的作用下會在IGBT上產生過高的沖擊電壓，極易損壞元件。所以在發生短路后，首先應通過減小柵極正偏置電壓，使短路電流得以抑制，接著再關斷IGBT，這就是所謂“慢關斷技術”，這一功能在某些公司生產的模塊中已有應用。

來源：半導體功率生態圈

審核編輯：湯梓紅

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