IGBT学习笔记之IGBT驱动电路

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IGBT是绝缘栅极双极型晶体管。它是一种新型的电压控制型功率开关器件，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、耐压高等方面的优点，在电力电子装置中得到了广泛的应用。对于IGBT的驱动电路模块，市场上有现成的，其中典型的是EXB840、2SD315A、IR2130等。但是在家用电器中，考虑到驱动保护特性以及成本方面的因素，我们设计出了一种简单实用的驱动保护电路。

  1. IGBT驱动电路
  根据不同的功能要求，可以选取不同的驱动电路。在某些大电流或高端电子设备中，可选取专门的IGBT驱动模块及保护芯片，这些驱动模块和保护芯片可靠性很高，但价格也十分昂贵。在一些低成本产品，如家用电器中，基于成本的考虑，这些驱动模块就不太适用了。图1所示的IGBT驱动电路完全可以满足单管IGBT的驱动要求，该电路采用的是单电源15V供电的方式，IGBT的栅极电压可以为15V和0V，可以保证IGBT的正常导通与关断，电路简单，适用于低成本的家用电器控制器中。其中A点为IGBT的控制输入信号。当输入高电平的时候，Q4导通，则B点为高电平，从而驱动Q1导通，Q2截止，使得D点电压为+15V，然后通过电阻R2驱动IGBT，此时D4相当于开路，R2为断开。D1、D2为15V的稳压二极管，他们可以控制IGBT的G点在15V，控制IGBT导通。当A点输入的是低电平，Q4截止，B点为低电平，从而驱动Q2导通，Q1截止，D点电平为低，这时R1与R2认为是并联的，使得IGBT为截止状态。

  2. IGBT保护电路
  首先是过流保护措施，IGBT的短路电流的大小与栅极电压有关，在实际应用中，可以通过减少栅极电压来降低短路电流或延长承受短路电流的时间。在电磁振荡过程中，其振荡频率为30kHz 40kHz，在一个周期中，IGBT开通的时间大概是15 25μs。当发生过流情况时，IGBT的C、E两端的电压会升高，使得D7相当于断开，这个时候IGBT导通，B点电压为15V，二极管D6导通，然后通过R6、R7为电容器C1充电，如果过流时间超过2μs，C点的电压使得稳压二极管D5导通，导致Q3处于导通状态，在电路中选用的稳压二极管D3为10V，由于D3的钳位作用，这样有效地降低了IGBT的栅极电压VGE，根据IGBT的驱动特性，可以延长IGBT的短路电流的承受时间。在电磁振荡电路中，IGBT开启的时间很短，采取这样降低栅极电压的方法可以有效地保护器件。
  通过对接的两个稳压二极管可以有效地钳位D点电压不超过15V，在D点与地线之间接上一个几十kΩ的电阻，这样可以作为栅极驱动电压的过压保护。在IGBT关断的时候，二极管D4导通，此时栅极电阻RG则相当于是R1与R2两个电阻并联的电阻，这样使得栅极电阻RG更小，可以有效地起到集电极电流变化过大时的保护作用。此外在绘制PCB时，在加粗地线的同时需注意驱动电路与IGBT栅极、发射极之间的距离，尽量减小栅极与发射极的等效电感。

  3. IGBT在电磁振荡中的应用　
  电磁振荡电路（见图2）包括电源主回路、同步电路、脉宽调制电路、IGBT的驱动保护电路。其中IGBT的驱动保护电路是采用图1的方案。在完整的电磁振荡电路中还包括电源电路、电流负反馈电路、过压保护电路、以及单片机控制电路。主回路中，IGBT受到的驱动信号为近似矩形的脉冲，当IGBT导通的时候，励磁线圈L2的电流急剧增加，能量以电感的电流形式保存起来，当IGBT截止时，L2与C3的并联回路发生谐振，电压可以超过1000V。驱动矩形脉冲信号的脉宽决定了电磁振荡工作的功率，但是这个宽度是通过同步电路和脉宽调制电路共同决定的。



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图1  IGBT驱动保护电


  同步电路必须准确监视主回路工作状况，当IGBT的集电极电压下降接近0V时，励磁线圈中电流正在反向减小，通过脉宽调制电路输出一个触发脉冲，通过同步电路和脉宽调制电路组成的电路可以使驱动脉冲再次加到IGBT的栅极，强行使IGBT导通。
  在脉宽调制电路中， 通过改变电平的值，可以控制功率，它是由单片机输出与电流负反馈信号共同决定的。IC1和IC2为快速比较器LM339。如图2所示，当V3>Vref时，比较器的输出端相当于开路，通过外接上拉电阻，可以得到高电平，从而驱动IGBT导通，而当V3<Vref时，比较器的输出口相当于接地，输出为低电平。



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图2 电磁振荡电路图

  在图2电磁振荡电路，当220V的交流电经过硅桥（BD），再通过电容C1的滤波处理，转换成为直流电压信号。励磁线圈（炉盘）和C3为并联，用以产生电磁振荡。
  图3为电磁振荡过程中各点的波形，这些信号都是在振荡过程中相当重要，如果有一个信号出错，都会影响电磁振荡的正常进行，其中包括参考电源信号V1、电压反馈信号V2、同步结果信号V5、控制功率的参考电压信号Vref以及IGBT的驱动信号等。



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图3 电磁振荡过程中的一些重要信号波形

  t0-t1过程：IGBT为截止状态，L、C正在发生振荡。首先，在t0时刻，电路中的能量表现
为电感L2的电流，接着能量通过电感转向电容器，即以电流的形式向电压的形式转换，通过C3与L2的并联回路给电容充电。当电容电压达到最大值的时候，如图3中V2的峰值时刻，这时电容电压能达到1000V，电感的电流为0；接下来能量从C3转向电感。当V2电压低于比较的电压信号V1时，比较器1的输出发生一次翻转，此时C5迅速放电，使得V3的电压低于功率参考电压Vref，由于比较器2的作用，强行使IGBT导通。
  t1-t2过程：IGBT为导通状态，这个时间段内，电感L2的电流急剧增加，如图3所示，反
馈电压V2接近0，比较器1的输出口V5也为低电平。在这个时候，C5开始充电，当这个电压（V3）高于功率参考电压Vref的时候，比较器2的输出口电压发生翻转，把IGBT的驱动电压强行拉低了，这就是一个IGBT导通的一个过程。
  t0-t2的过程就是一个电磁振荡的过程，也是电磁振荡的一个周期，以后的过程与这段时间相同，如图3中，t2－t3过程与t0－t1过程完全相同，t3－t4过程与t1－t2过程完全相同。t0－t1的时间间隔取决于谐振线圈L2和谐振电容C3，所以这个电磁振荡的频率f主要取决于L2和C3。
  电压V1、V2的选取在整个系统中相当重要，它关系到同步电路部分能否准确监测主回路的状态。在静态的时候，V2要略高于V1，以保证比较器1的输出为高。但是如果V2过高，R14选取相对过大，在振荡的过程中，会出现电容C3的电压已降为0时不能及时驱动IGBT，使其导通，这样不能准确监测主回路的工作状态。同样如果R14与R12的匹配的值过小，会提前促使IGBT导通，这样一来由于反压过高，此时IGBT一旦导通，就会被损坏。
  在反复的实验中，得到了如图4的数据，t1和t1’并非同一时刻，这是值得注意也是相当重要的。一个振荡周期大概为40μs，如图4所示，t1’比t1滞后2μs，说明在反馈电压V2还没有降到0的时候，已经又有信号驱动IGBT，使其导通。这个滞后时间是允许的，但这个时间不能太长，首先，因为IGBT的栅极电压VGE（具体值根据不同的器件而定）大概为2 5V，说明在t1’时刻IGBT不一定已经导通。其次，这个时间如果过长了，则会出现反馈电压V2还没有降到0，就再次驱动IGBT，而此时IGBT的集电极还有很高的电压，很可能损坏IGBT。在实际的电路中，可以通过调节V1与V2的电压来控制t1与t1’之间的时间间隔，其中V1是一个参考电压，也就是一个基准电压，V2是反馈电压，通过使用比较器起到同步的作用。