摘要：本文根據IGBT驅動光耦特性總結了驅動電路的設計要求。采用PC929設計了一種簡單、實用的IGBT驅動電路，分析了保護電路的性能。進行的正常開通關斷實驗和故障保護實驗表明，該電路可滿足IGBT驅動的要求，并具有可靠的保護功能。
關鍵詞：IGBT；驅動電路；保護電路
1.引言
絕緣門極雙極型晶體管IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor)，是八十年代中期發展起來的一種復合了功率場效應管和電力晶體管優點的新型復合器件，既具有輸入阻抗高、開關速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點，因此發展迅速，很快在電機驅動、中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域得到廣泛應用[1]。在IGBT的實際應用中，其柵極驅動電路的合理設計是保證IGBT安全可靠運行的重要環節。目前，國內外推出了針對IGBT的多種驅動模塊，如EXB841、M57962L、IR2110[4]、IXDN404[7]等，實際應用中，多種IGBT驅動模塊電路使用上都有其局限性[3]。本文介紹了一種采用PC929芯片的IGBT驅動電路設計方法，具有簡單實用的優點，可用于中小功率的變流器。
2IGBT驅動電路設計要求
根據IGBT的特性，對其驅動電路有如下要求：
(1) 提供適當的正反向柵極電壓，使IGBT可靠地開通和關斷。當正偏壓增大時IGBT通態壓降和開通損耗均下降，但若柵極電壓UGE過大，則負載短路時其IC隨UGE增大而增大，對其安全不利。因此使用中UGE取15V左右的正向柵極電壓較為合適[2]。負偏電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般選UGE為-10V左右為宜。
(2)IGBT開通后，驅動電路應提供足夠的電壓、電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致因退出飽和而損壞。
(3) 能為IGBT柵極提供具有較陡峭前后沿的驅動脈沖。IGBT的快速開通和關斷可降低開關損耗。
(4) 選擇恰當IGBT驅動電路中的柵極電阻和保護檢測回路電阻。
(5) 具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為土20 V，驅動信號超出此范圍可能破壞柵極[6]。
(6) 驅動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT的保護功能。IGBT的控制、驅動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當的防靜電措施情況下，IGBT的G-E端不能開路。
3.基于PC929的IGBT驅動電路設計
日本SHARP公司生產的PC929芯片具有高速、內建短路保護電路、使用方便等特點，是一種比較典型的驅動電路芯片。驅動電流最大為0.4A；具有小于0.5ms的高速響應時間；隔離電壓高達4kV，適用于中小容量IGBT的驅動。
本文設計的基于PC929的驅動保護電路具有單電源、正負偏壓、過流檢測、可靠保護等主要特性，功能較為完善，具有廣泛應用前景。驅動電路由驅動主電路和保護邏輯電路兩部分組成。
3.1 驅動電路簡介
圖1所示為基于PC929的驅動電路。PC929是內建短路保護電路的門極驅動高速光耦芯片，PWM脈沖輸入到芯片1、3腳，26伏的供電電壓接到13、14腳。由于橋臂上、下開關管驅動電壓不能共地，因此每個IGBT管的驅動電路需要單獨電源供電，本實驗采用開關電源提供的各路獨立的直流電源。
11腳通過R10構成門極脈沖輸出，通過電阻R11和10伏穩壓管DW產生10V電壓基準，這樣，PC929輸出驅動電壓相對E點為正16伏和負10伏電壓信號，滿足驅動IGBT的要求。
9腳為故障判斷引腳，外圍由R6、R7、R8、R9、R13、D1、D2、D3、C2構成包含濾波功能的故障判斷回路。通過設計9腳外圍電路，可以把需要產生保護的電流量與9腳規定的Vcc-6伏電壓建立對應關系。
8腳作為芯片的故障輸出引腳通過光耦接到保護邏輯電路。
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?????????????????????????????????????????????????????? 圖1 基于PC929的驅動電路拓撲
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3.2驅動電路工作原理
1、正常開關過程
當控制電路PWM脈沖進入PC929芯片，在PWMx輸入信號為低電平時，芯片中的光耦導通，信號通過芯片中的推挽電路，11腳產生相對于E點的16伏高電平，經過電阻R10給IGBT柵極提供電流，使管子迅速導通。
反之，如果PWMx輸入信號為高電平，芯片中光耦不導通，則11腳產生相對于E點的負10伏低電平脈沖信號，柵極電荷迅速放掉，封鎖IGBT。
柵極電阻R10對工作性能有較大的影響，R10較大時，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗；R10較小時，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損壞。R10的具體數據與驅動電路的結構及IGBT的容量有關，一般在幾十歐左右，小容量的IGBT其R10值一般較大。本文實驗電路中柵極電阻R10選為100歐姆。
2、故障保護動作
PC929對IGBT的保護是通過檢測Vce電壓來實現的。R6～R9,R13,D3構成對Vce的檢測回路，當IGBT產生過流故障或短路故障的時候，集電極電流迅速增加，IGBT集電極電壓上升。導致9腳電壓超過保護值，即當電位高于Vcc-6（20V）時，關斷輸出，同時芯片8腳FS輸出低電平故障信號，經過光耦B1送至RS觸發器。隔離后的保護信號傳遞到保護閉鎖邏輯電路，經過邏輯處理，將所有脈沖封鎖。
對Vce的電壓進行檢測的電路參數選擇，對于實現準確可靠的保護十分關鍵。圖2所示為FP25R12KE3型IGBT，在門極驅動電壓為15V時的輸出特性曲線。本文實驗電路中IGBT額定運行電流為10A，故過流保護值設置為25A。根據圖2中125攝氏度時的特性曲線可知，當VCE電壓大于2V時，電流值為 25A。通過對R6～R9,R13電阻值的適當選取，可以使VCE電壓大于2V時，PC929的9腳檢測電壓大于Vcc-6伏，根據PC929芯片功能封鎖PWM脈沖。
圖2 FP25R12KE3型IGBT的輸出特性曲線[5]
供電電源的質量對驅動電路和保護邏輯電路正常使用十分重要。如果在發生短路過流的情況下，開關電源出現不穩定，影響邏輯電路的供電，就會導致保護失敗，不能封鎖脈沖，進而容易損壞IGBT。
為了使該驅動電路可靠保護，必須保證9腳接收的電壓信號穩定而沒有紋波，電路中設計的C2起到了這個作用，它起到濾除電路中紋波的作用，保證了9腳保護的高度可靠性，否則可能因為毛刺發生誤保護。
3.3短路保護閉鎖電路設計
圖3 IGBT短路保護閉鎖邏輯電路
圖3所示為六路驅動電路的邏輯保護電路，保證了在各種硬件故障情況下各個IGBT脈沖的可靠封鎖。PC929驅動電路產生的故障（FAULT）信號經過RS觸發器和一個或門，觸發器Q輸出高電平使或門輸出保持高電平，產生反饋回驅動芯片的保護信號，可以封鎖六路芯片輸出脈沖。同時，觸發器 
輸出SC信號引起DSP功率驅動保護中斷，DSP進行相應的程序處理。
4. 試驗結果分析
將上述驅動電路應用于3.7kW三相PWM整流器中，進行了如下試驗。
圖4是使用該驅動電路產生的典型驅動脈沖的波形圖，其中通道l為輸入控制信號，通道2為輸出驅動信號。如圖所示，可以看出該驅動電路產生的16V高電平和負10V低電平脈沖，可以可靠導通和關斷IGBT。
圖4 門極典型驅動脈沖波形
圖5是驅動脈沖的上升沿波形圖，其中通道l為輸入控制信號，通道2為輸出驅動信號。圖中可以看出，當控制信號產生導通命令的時候，該驅動電路在3ms時，脈沖就達到16V，及時導通IGBT。
圖5 門極驅動脈沖上升沿波形
圖6是驅動脈沖的下降沿波形圖，其中通道l為輸入控制信號，通道2為輸出驅動信號。圖中可以看出，當控制信號產生關斷命令的時候，該驅動電路在3ms時，脈沖達到負10V，及時關斷IGBT。
圖6 門極驅動脈沖下降沿波形
圖7是IGBT發生功率驅動保護時候，通過邏輯閉鎖電路封鎖另外一路驅動脈沖的波形圖，其中通道l為功率驅動保護信號（低電平保護），通道2為輸出驅動脈沖信號。圖中可以看出，當IGBT產生功率保護控制信號產生低電平的時候，該驅動電路的邏輯閉鎖電路在2～3ms內及時使其他各路IGBT關斷，性能可以達到可靠保護所有IGBT的要求。
圖7 發生短路保護后驅動脈沖波形
5.結論
本文所設計的驅動電路具有如下主要特點：①使用帶有短路保護功能的芯片PC929，簡化了電路的結構；②該驅動保護電路應用到3.7kW三相變流器中，6個IGBT管均使用相同的驅動保護電路，性能可靠；③設計了的保護邏輯電路，能夠滿足IGBT短路保護的需要，且具有故障自鎖功能。試驗結果證明，該IGBT驅動電路經濟、實用、安全、可靠，有較大的應用前景。
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