摘要：研制了一种针对大功率IGBT 的驱动电路。对IGBT 驱动电阻的位置进行了讨论，提出了一种新的IGBT 开通、关断速度控制方式。驱动电路自身集成了开关电源。实验验证了该电路的各种功能，并给出了实验波形。

　　0  引言

　　随着世界工业化水平的飞速提高，运用于各个领域中的电力电子设备功率等级也不断上升，作为构成电力电子功率电路的，功率半导体器件的性能及其工况成为了大功率系统是否能稳定工作的决定性因素之一。IGBT 作为电力电子系统中应用前景的功率半导体器件之一，其工作性能，除了可以通过利用各种控制手段以及电路拓扑结构的优化来改善，在驱动电路中进行合理的调整应该是一种更为直接并且经济的方案。

　　IGBT 的驱动已经有了很多成熟的应用，常见的就是经过隔离后进行推挽放大输出功率，再经由驱动电阻向IGBT 送出驱动脉冲。通常情况下，根据IGBT 手册给出的数据选取相应的门极电阻RG 就足以保证IGBT 的可靠运行，在有更严格要求的情况下，可以将开通门极电阻RG（ON） 和关断门极电阻RG（OFF） 区分开，以选择不同的开通、关断速度，但这些仅仅考虑了IGBT 在开通和关断时的控制，而忽略了IGBT 维持导通或截至时的控制。因此，提出了一种驱动电阻前移的控制思路，一方面可以调整驱动电路对IGBT 栅极电容的充电速度，另一方面在IGBT 维持开通或关断时使栅极电压更加稳定，抗干扰性更强。

　　另外，由于IGBT 能够承受一定时间的短路电流，故在IGBT 由于短路烧毁前驱动电路可以快速反应并对其进行合理的关断，从而达到保护IGBT可靠工作的目的。

　　1  驱动电路拓扑及工作原理

　　本文所研制的驱动电路针对大功率的IGBT 设计了一套相应的短路检测、栅极软关断以及驱动电压欠压保护电路，并设计了死区调节、桥臂互锁、脉冲封锁、故障信号回传等逻辑电路。

　　1. 1  基本功能

　　为了保证IGBT 的可靠驱动及保护，驱动电路主要遵循了以下原则：

　　a. 能够为栅极提供足够功率的驱动电源，开通时能提供合适的正向栅极电压，关断时可以提供足够的反向关断栅极电压。

　　b. 快速响应能力，低输入输出延迟时间。

　　c. 足够高的输入输出电气隔离特性，使信号电路与栅极驱动电路绝缘，并具有较强抗干扰能力。

　　d. 能瞬时输出较大驱动电流（设计为30 A） ,提供陡峭的脉冲上升、下降沿，并可灵活调整。

　　e. 在维持导通、关断情况下，具有很强的嵌位能力，提高IGBT 工作可靠性。

　　f . 出现短路、过流故障时，具有灵敏的保护能力，并具有一定的抗干扰能力，防止瞬时短路或干扰信号造成误保护。

　　g. 保护电路具有软降栅压功能，对短路、过流造成的大电流采取软关断，避免产生过压。

　　h. 对输出级电压进行监测，在出现欠压时向控制侧发出错信号，避免出现过低的电压造成IGBT不饱和导通进而烧毁。

　　1. 2  基本拓扑

　　驱动模块的整体拓扑如图1 所示。驱动信号经过脉冲采集电路后被送入逻辑处理单元，若没有故障发生，脉冲序列也正常无误，驱动信号将经过隔离后送到输出侧，再由放大电路将功率放大后输出驱动IGBT。

图1  系统总体结构

　　供电部分由AC/ DC 电源完成，1 路+ 5 V 供给弱电侧信号采集和逻辑模块使用，2 路隔离的+ 18V 和- 5 V 电源分别为输出通道A 和输出通道B供电。

　　1. 3  输入接口及逻辑处理电路的设计

　　1. 3. 1  输入接口电路

　　设计中利用集成了双光耦的HCPL 2630 作为驱动信号的采集器件，如图2 所示， R1 和R4 用作输入限流，光耦的输入处并入R2 , R3 , C1 , C2 以提高抗干扰能力。由于光耦二极管只需要通过一定的正向电流I F 就可以使输出三极管导通，所以这种输入接口事实上采集的是一个电流信号。这种输入接口的优点在于驱动板不用与上层的控制电路共地， 且电流信号比电压信号抗干扰性更强， 从而提高了可靠性，只要调整RF 即可调整I F ,所以输入信号电平也不再受限制，更具兼容性。

图2  信号输入接口电路

　　1. 3. 2  逻辑控制电路

　　逻辑控制电路用于处理来自脉冲采集单元的驱动信号，同时接收来自输出侧的短路信号及欠压信号，若未出现故障，则脉冲将被送入差分逻辑电路进行可靠互锁，驱动光耦；若接收到了故障信号，逻辑控制电路将立即封锁脉冲，使输出脉冲维持在低电平，与此同时将故障信号输出到上控制电路，这个封锁的过程将维持20 ms （可调） ,之后复位，又可恢复正常工作。

　　1. 3. 3  脉冲输出电路

　　脉冲输出部分包括脉冲整定部分和功率放大部分，在接收到光耦传送的信号后，由脉冲整定部分对脉冲信号进行处理。一般情况下， IGBT 的开通与关断速度由门极电阻RG 来决定和调整，但RG 的存在会使输出脉冲对门极电压的嵌位作用降低，当IGBT 集电极电压发生突变时，将会有电流通过弥勒电容耦合到栅极，使栅极电压随之变化，影响IG2B T 的正常工作，改变IGBT 输出电流的波形，严重情况下会导致IGBT 的误导通或误关断。若将门极电阻去掉又会使IGBT 开通和关断速度不可控，造成过大的dv / dt 和di / dt .

　　为解决这个问题，提出了一种将驱动电阻前移的方法，即减小或去掉门极电阻RG ,通过控制功率放大电路中三极管的开通速度来限制注入栅极电流的速度，从而达到控制IGBT 栅极电压变化速率的目的，如图3 所示，通过调整脉冲整定部分三极管的基极电阻R′G 即可获得和调整R G 一样的效果。

图3  功率放大电路

　　开通时，驱动脉冲信号经过功率放大电路放大后，栅极电压将根据设定速度上升到V CC ,由于隔离器件采用的是PC923 ,而PC923 只有在V CC = 18 V时才能输出15 V 的脉冲信号，所以栅极电压会先上升到18 V ,此时三极管基极和射极间承受反压关断，栅极电容再经过RGE 放电而逐渐降落到15 V。关断原理与开通基本相同。

　　1. 4  故障检测电路

　　故障检测部分主要功能是对IGBT 进行退保和检测并实时监测输出侧电压值，再经故障判定后控制软关断电路（ SSD） 的工作，并通过光耦实时向输入侧反应输出侧工况。

　　退保和检测电路用于判定IGBT 是否短路。即在IGBT 开通状态下实时检测其集射极电压，一旦超过设定阈值，则认为IGBT 发生短路，并立即触发SSD 对IGBT 实行软关断。由于从开通脉冲给出到IGBT 开通，并且集射极电压V CE下降到保护阈值以下存在一定的延迟时间，而开通脉冲的给出和退保与检测电路开始工作几乎是同时的，所以检测电路必须有开通盲区时间，但盲区时间的设定不宜过长，否则在开通前IGBT 两端已经处于短路状态的情况下，过长的盲区时间会导致保护动作过于迟缓，造成保护失败。盲区时间tdelay的设定应满足公式：

　　tSSD是软关断所需时间， 为4~5 μs , tsys 是整个电路的延迟时间，一般不超过1μs ,再加上盲区时间tdelay ,总的关断时间toff 不能超过IGBT 的短路电流承受时间ttol≈10μs.此外，实际工作中V CE常常会出现一些尖峰，检测电路也必须能排出这些尖峰带来的干扰。保护监测波形示意如图4 所示。其中V 2 是阈值电压，当驱动脉冲上升沿来到时由电源电压逐渐下降到比较阈值；当驱动脉冲下降沿来到时又立即上升到电源电压。V 3 是V CE（ sat） 检测到的IG2B T 集电极电压，变化范围为IGBT 的导通压降到设定的嵌位电压之间，嵌位的电压值必须高于保护阈值，否则将不能触发短路保护； 在嵌位电压以下，V CE（ sat） 随IGBT 两端电压变化， 超过嵌位电压后V CE（ sat） 将不再上升。

图4  保护监测波形示意

　　欠压检测部分由MB3771 完成。由驱动脉冲输出峰值电流公式：

　　可知，对驱动电阻很小、门极电容较大的大功率IGBT 来说，在驱动脉冲输出的上升沿和下降沿，驱动板输出电流非常大，即使开关电源用比较大的电容进行支撑也会造成短时间的电压凹陷，所以欠压检测的保护输出也要有一定的延迟时间，避开这个凹陷。如果在可容忍的时间内输出电压依然低于设定值，则欠压检测电路将认为输出欠压，并立即向输入侧传送故障信号，但不会触发软关断。

　　1. 5  软关断电路

　　在收到故障检测单元送来的信号后，软关断电路将被触发，对IGBT 实施软关断。由于短路电流非常大，直接关断必然会造成过大的di / dt ,在IG2B T 两端出现电压尖峰，此电压尖峰不仅可能直接击穿IGBT ,还会通过弥勒电容耦合到栅极造成IG2B T 再次开通，又进入短路状态，进而烧毁。而采用软关断方式则可以限制住di / dt ,使IGBT 安全关断。本文采用的方式是在收到故障信号后直接进行软关断，斜率约为4 V/μs ,当栅极电压降落到0 V后立即拉低到V EE ,完成软关断。此外，一旦软关断电路被触发工作，输入信号对关断波形将没有任何影响，这主要是防止在软关断过程中，若控制板还未收到短路信号而给出了关断IGBT 的信号，造成IGBT 短路硬关断[ 10 ] .

　　2  实验结果及分析

　　图5 是为测试驱动板的短路保护能力而设计的实验电路。

图5  短路实验电路

　　为保证电流的上升速率，直流母线均采用了铜排进行连接。实验电路连接好后，调节变压器直至母线电压达到600 V ,然后通过控制板给驱动板发出一个宽度为10 μs 的脉冲，实验波形如图6a 所示，其中V GE波形为5 V/ div ,V CE波形为200 V/ div ,时间为2. 5μs/ div.再将直流电压降低到200 V ,并且将退保和检测所用的二极管阴极接地，以屏蔽掉短路保护功能，然后进行同样的实验，得到图6b 的实验波形，V GE 波形为5 V/ div ,V CE 波形为100 V/div ,时间为2. 5μs/ div.

图6  实验波形

　　从波形可以看出，在有短路保护功能的情况下，600 V 的直流电压短路保护后过电压不过100 V ,而在没有短路保护功能的情况下，关断短路电流后产生的过压达到了400 V ,并且引起V CE和V GE的强烈振荡。

　　3  结束语

　　设计了一种具有脉冲封锁、桥臂互锁、脉冲死区、短路保护和驱动电压欠压保护等功能的IGBT驱动电路，并通过实验验证了驱动电路的保护性能，且通过短路实验的比较，充分证明了IGBT 驱动电路加入短路保护功能的必要性和有效性。