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三相逆变器中IGBT的几种驱动电路的分析

摘要：对几种三相逆变器中常用的IGBT驱动专用集成电路进行了详细的分析，对TLP250、EXB8系列和M579系列进行了深入的讨论，给出了它们的电气特性参数和内部功能方框图，还给出了它们的典型应用电路。讨论了它们的使用要点及注意事项。对每种驱动芯片进行了IGBT的驱动实验，通过有关的波形验证了它们的特点。最后得出结论：IGBT驱动集成电路的发展趋势是集过流保护、驱动信号放大功能、能够外接电源且具有很强抗干扰能力等于一体的复合型电路。关键词：绝缘栅双极晶体管；集成电路；过流保护
1前言电力电子变换技术的发展，使得各种各样的电力电子器件得到了迅速的发展。20世纪80年代，为了给高电压应用环境提供一种高输入阻抗的器件，有人提出了绝缘门极双极型晶体管（IGBT）[1]。在IGBT中，用一个MOS门极区来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率MOSFET的高输入阻抗与双极型器件优越通态特性相结合的非常诱人的器件，它具有控制功率小、开关速度快和电流处理能力大、饱和压降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的电源、逆变器、不间断电源（UPS）和交流电机调速系统的设计中，它是目前最为常见的一种器件。功率器件的不断发展，使得其驱动电路也在不断地发展，相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。图1为一典型的IGBT驱动电路原理示意图。因为IGBT栅极发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

对IGBT驱动电路的一般要求[2][3]：1）栅极驱动电压IGBT开通时，正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12～20V之间。当栅极电压为零时，IGBT处于断态。但是，为了保证IGBT在集电极发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还减少了关断损耗。反向偏压应该在－5～－15V之间。2）串联栅极电阻（Rg）选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。所以，较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性（可避免dv/dt带来的误导通），但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极－发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。3）栅极驱动功率IGBT要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动负、正偏置电压的差值ΔUGE、栅极总电荷QG和工作频率fs的影响。电源的最大峰值电流IGPK为：

在本文中，我们将对几种最新的用于IGBT驱动的集成电路做一个详细的介绍，讨论其使用方法和优缺点及使用过程中应注意的问题。2几种用于IGBT驱动的集成芯片2.1TLP250（TOSHIBA公司生产）在一般较低性能的三相电压源逆变器中，各种与电流相关的性能控制，通过检测直流母线上流入逆变桥的直流电流即可，如变频器中的自动转矩补偿、转差率补偿等。同时，这一检测结果也可以用来完成对逆变单元中IGBT实现过流保护等功能。因此在这种逆变器中，对IGBT驱动电路的要求相对比较简单，成本也比较低。这种类型的驱动芯片主要有东芝公司生产的TLP250，夏普公司生产的PC923等等。这里主要针对TLP250做一介绍。TLP250包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构。适合于IGBT或电力MOSFET栅极驱动电路。图2为TLP250的内部结构简图，表1给出了其工作时的真值表。

TLP250的典型特征如下：1）输入阈值电流（IF）：5mA（最大）；2）电源电流（ICC）：11mA（最大）；3）电源电压（VCC）：10～35V；4）输出电流（IO）：±0.5A（最小）；5）开关时间（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）；6）隔离电压：2500Vpms（最小）。表2给出了TLP250的开关特性，表3给出了TLP250的推荐工作条件。

注：使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引线长度不应超过1cm。图3和图4给出了TLP250的两种典型的应