太原科技２００９年第１期TAIYUANSCI-TECHH橋IGBT柵極驅(qū)動設(shè)計與應用王志堅（山西國營大眾機械廠第一研究所，山西太原０３００２４）摘要：以具體實例對H橋IGBT柵極驅(qū)動電路的設(shè)計做了分析，得出IGBT的驅(qū)動條件是柵極正電壓、柵極負電壓、柵極串聯(lián)電阻與其主要運行特性的關(guān)系，并推導出H橋IGBT柵極驅(qū)動電流、驅(qū)動功率、柵極電阻的計算公式及死區(qū)時間的確定方法，為驅(qū)動電路的設(shè)計提供了可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞：Ｈ橋；ＩＧＢＴ；柵極；驅(qū)動電路中圖分類號：ＴＭ３８３．６文獻標志碼：Ａ文章編號：1006－4877（2009）01－0087－03收稿日期：2008－11－22；修回日期：2008－12－22作者簡介：王志堅（１９６９－），男，太原清徐人。１９９３年７月畢業(yè)于太原理工大學，工程師。IGBT全稱是絕緣柵雙極晶體管，是MOS柵器件結(jié)構(gòu)同雙極晶體管相結(jié)合進化而成的電壓控制型復合功率開關(guān)器件。它既有MOS柵器件易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。H橋IGBT柵極驅(qū)動電路的作用是將控制電路的輸出脈沖放大到足以激勵功率轉(zhuǎn)換電路IGBT。柵極驅(qū)動電路的優(yōu)劣和功能的完善程度對IGBT本身的工作性能和可靠性有直接關(guān)系，它所提供的驅(qū)動脈沖幅度以及波形關(guān)系到IGBT的飽和壓降，開通和關(guān)斷瞬間集電極電壓，電流的上升、下降速率等運行特性，直接影響該器件損耗和發(fā)熱，并將對整個系統(tǒng)的性能和安全可靠有很大影響。另外，柵極驅(qū)動電流、死區(qū)時間的設(shè)定等對IGBT的可靠運行也是至關(guān)重要的。從某種意義上講，柵極驅(qū)動電路是決定IGBT功率轉(zhuǎn)換性能優(yōu)劣的重要因素［１－２］。１ＩＧＢＴ的驅(qū)動條件與主要運行特性的關(guān)系由于IGBT的飽和壓降、開通和關(guān)斷瞬間集電極電壓，電流的上升、下降速率等主要運行特性是隨著IGBT的驅(qū)動條件（柵極正電壓、柵極負電壓、柵極串聯(lián)電阻）而變化的，因此，在工程研制階段合理選擇IGBT的驅(qū)動條件顯得尤為重要。IGBT的驅(qū)動條件與主要運行特性的關(guān)系，見表1。1.1柵極正電壓（＋VGE）在工程研制階段，+VGE的設(shè)計應考慮以下幾方面：第一，＋VGE的設(shè)計應在IGBT允許的（G－E間最大額定電壓VGES＝＋20V）范圍內(nèi)。第二，＋VGE的推薦值為＋15V，此時IGBT可飽和導通且損耗較??；若小于＋12V則通態(tài)損耗增大；若大于＋20V則易過電流。第三，＋VGE的設(shè)計值還必須在柵極驅(qū)動電路中器件允許工作電壓范圍之內(nèi)。第四，電源電壓的波動推薦在±10％范圍內(nèi)。第五，IGBT飽和導通期間的C－E間電壓VGE（sat）隨＋VGE變化，＋VGE越大，VGE（sat）越小。第六，＋VGE越大，開通時間和開通損耗越小。第七，＋VGE越大，使開通時di/dt越大，增加續(xù)流二極管FWD反向恢復時的浪涌電壓。第八，因FWD反向恢復時的dv/dt會使IGBT誤導通，形成脈沖式的集電極電流，造成損耗增加，發(fā)熱嚴重。第九，通常＋VGE越大，IGBT短路電流值也越大。第十，＋VGE越大，IGBT短路耐受能力越小。1.2柵極負電壓（－VGE）在工程研制階段，－VGE的設(shè)計應考慮以下幾方面：第一，－VGE的設(shè)計應在IGBT所允許的（G－E間最大額定電壓VGES＝－20V）范圍內(nèi)。第二，－VGE的推薦值為－5～－15V。第三，－VGE的設(shè)計值還必須在柵極驅(qū)動電路中器件允許工作電壓范圍之內(nèi)。第四，電源電壓的波動推薦在±10％范圍內(nèi)。第五，－VGE越大，關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗越小。第六，－VGE的設(shè)計可使IGBT在噪聲情況下有效關(guān)斷，同時避免因dv/dt造成的誤導通。1.3柵極串聯(lián)電阻（RG）在工程化設(shè)計中，RG的取值對IGBT的動態(tài)運行特性有重要影響。首先，RG值越大，控制脈沖的ＩＧＢＴ主要運行特性飽和導通電壓VCE（sat）開通時間和開通損耗關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗開通浪涌電壓關(guān)斷浪涌電壓ｄv／ｄt造成誤導通短路電流值短路耐受能力表１ＩＧＢＴ的驅(qū)動條件與主要運行特性的關(guān)系＋VGE越大越小越小—越大—越大越大越小－VGE越大——越小—越大越小——RG值越大—越長越長越小越小越小越小越大應用技術(shù)太原科技２００９年第１期TAIYUANSCI-TECH前、后沿陡度越小，開關(guān)時間和開關(guān)損耗就越大。其次，RG值越大，相反浪涌電壓會越小，使dv/dt誤導通現(xiàn)象不易出現(xiàn)。２ＩＧＢＴ的柵極電荷及驅(qū)動電流IGBT本身具有MOS柵器件結(jié)構(gòu)，IGBT在開通或關(guān)斷時必須具有一定的柵極充放電電流，即柵極驅(qū)動電流。而柵極充電電荷量（即驅(qū)動IGBT所需的電荷量）直接影響著驅(qū)動電流的大小，因此，可以通過柵極充電電荷量特性（見圖1）來求柵極驅(qū)動電流。驅(qū)動電路原理框圖見圖2，脈沖輸入及電壓、電流波形見圖3。圖3中電流波形所表示的面積應與圖1中的充放電電荷量相等。驅(qū)動電流的峰值IGP可由式（1）求出IGP=+VGE+│-VGE│RG+Rg。（1）式中，+VGE為電源正電壓；-VGE為電源負電壓；RG為驅(qū)動電路柵極電阻；Rg為IGBT內(nèi)部柵極電阻。在圖1中，VGE從0開始上升的斜率基本與IGBT輸入電容Cies等效，而負電壓部分可作為延長考慮。因此，驅(qū)動電流的平均值IG求取為+IG=-IG=fc×（Qg+Cies×│-VGE│）。（2）式中，Qg是從0到＋VGE的充電電荷量；Cies為IGBT的輸入電容；fc為載流子頻率；－VGE為電源負電壓。由IGBT開通、關(guān)斷時驅(qū)動電路發(fā)生的損耗，可近似求取驅(qū)動電路的功率PG，PG（ON）=PG（OFF）=fc×1Qg│+VGE│+1Cies×│-VGE│２│。（3）式中，PG（ON）為IGBT開通時驅(qū)動電路的損耗；PG（OFF）為IGBT關(guān)斷時驅(qū)動電路的損耗。PG=fc×Qg│+VGE│+Cies×│-VGE│２││。（4）在工程設(shè)計中，為求取RG值，可認為驅(qū)動電路發(fā)生的損耗全由柵極電阻以熱形式消耗。RG值具體計算為RG=PGIG2。（5）式中，IG為柵極驅(qū)動平均電流值。因此，在驅(qū)動電路的工程設(shè)計中，可依據(jù)上述內(nèi)容分析計算，選取合理的IGBT驅(qū)動電路。３死區(qū)時間的確定對于圖4中H橋雙極模式的IGBT功率轉(zhuǎn)換電路，其特點是在一個開關(guān)周期內(nèi)，作用在電機電樞上的電壓極性是正負交替的。其中4個功率管分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3為一組，同一組中的兩個功率管同時導通或關(guān)斷，兩組功率管是交替地輪流導通和截止的，亦即柵極驅(qū)動信號，Ub1=Ub4，Ub2=Ub3。柵極驅(qū)動波形見圖5，其中，A為Ub1應用技術(shù)太原科技２００９年第１期TAIYUANSCI-TECH（Ub4）的波形，B為Ub2（Ub3）的波形。為避免同側(cè)上下橋臂兩單管IGBT出現(xiàn)瞬間短路現(xiàn)象（又稱直通現(xiàn)象），產(chǎn)生不必要的發(fā)熱，造成器件損壞，工程設(shè)計中必須考慮在每個單管IG－BT開通前保留一定的死區(qū)時間，一般死區(qū)時間要大于關(guān)斷時間，通常取3μs以上。在死區(qū)時間段內(nèi)，同側(cè)上下橋臂兩單管IGBT柵極驅(qū)動均為負，處于完全截止狀態(tài)。４Ｈ橋ＩＧＢＴ柵極驅(qū)動電路應用舉例在某型號武器系統(tǒng)中，采用了Aegilent生產(chǎn)的A-3120光電耦合器件對H橋功率轉(zhuǎn)換電路IGBT進行柵極驅(qū)動。4.1A-3120主要特性第一，柵極驅(qū)動電流峰值是2.0A，持續(xù)1.5A；第二，共模暫態(tài)噪聲抑制（CMTR）轉(zhuǎn)態(tài)速率是dVCM/dt=15kV/μs，幅值VCM=1500V；第三，輸出供電電壓為15～35V；第四，A-3120傳輸延遲為0.5μs。4.2H橋IGBT柵極驅(qū)動電路圖6為H橋IGBT柵極驅(qū)動電路。５ＩＧＢＴ柵極驅(qū)動電參數(shù)在該系統(tǒng)中，對H橋功率轉(zhuǎn)換電路IGBT進行柵極驅(qū)動的各電參數(shù)見表2，則驅(qū)動電流的峰值IGP為IGP=+VGE+│-VGE│RG+Rg=18+516≈1.5A。驅(qū)動電流的平均值IG為+IG=-IG=fc×Qg+Cies×│-VGE│=1/65×10-6×（2.4×10-6+1.5×10-9×5）=38.077mA。通常在工程設(shè)計中，為使驅(qū)動電路的驅(qū)動能力留有一定余量，可取驅(qū)動電流為其計算平均值的3～5倍。由IGBT開通、關(guān)斷時驅(qū)動電路發(fā)生的損耗，可近似求取驅(qū)動電路的功率PG（ON）=PG（OFF）=fc×1Qg│+VGE│+1Cies×│-VGE│２│。（6）式中，PG（ON）為IGBT開通時驅(qū)動電路的損耗；PG（OFF）為IGBT關(guān)斷時驅(qū)動電路的損耗。PG（ON）=fc×Qg│+VGE│+Cies×│-VGE│２││=1/65×10-6×（2.4×10-6×18+1.5×10-9×25）=670.38mW。在工程設(shè)計中，為求取柵極電阻RG值，可認為驅(qū)動電路發(fā)生的損耗全由柵極電阻以熱形式消耗。RG值約為RG=PG/IG2=0.67/（0.038×5）2≈18Ω。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)中，H橋功率轉(zhuǎn)換電路IGBT的柵極驅(qū)動電阻取16Ω。因此，在驅(qū)動電路的工程設(shè)計中，可依據(jù)上述內(nèi)容分析計算，選取合理的IGBT驅(qū)動電路。參考文獻：［１］馮國楠．現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，１９９０．［２］徐承忠，王執(zhí)銓，王海燕．數(shù)字伺服系統(tǒng)［Ｍ］．北京：國防工業(yè)出版社，１９９４．（責任編輯王雅利）標號＋VGE－VGECiesQgRGRgT表２對Ｈ橋功率轉(zhuǎn)換電路ＩＧＢＴ進行柵極驅(qū)動的各電參數(shù)說明IGBT驅(qū)動電源正電壓IGBT驅(qū)動電源負電壓IGBT的輸入電容從0V到+Vge為止的充電電荷量驅(qū)動電路柵極電阻IGBT內(nèi)部柵極電阻開關(guān)周期數(shù)值18V-5V15nF2.4μC16Ω065μS（英文部分下轉(zhuǎn)第９３頁）應用技術(shù)太原科技２００９年第１期TAIYUANSCI-TECH壓煤開采技術(shù)的研究［Ｄ］．北京：中國礦業(yè)大學，２００１．［５］郭文兵．深部大采寬條帶開采地表移動的預計［Ｊ］．煤炭學報，２００８，３３（４）：３６８－３７２．［６］鄧喀中，張冬至，張周權(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