IGBT原理：

IGBT（nsulated Gate Bipolar Transistor），也稱為絕緣柵雙極晶體管，是一種復合了功率場效應管和電力晶體管的優點而產生的-一和新型復合器件，它同時具有MOSFET的高速開關及電壓驅動特性和雙極晶體管的低飽和電壓特性及易實現較大電流的能力，既具有輸入阻抗高、工作速度快、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的優點，這使得IGBT成為近年來電力電子領域中尤為矚|目的電力電子驅動器件，并且得到越來越廣泛的應用。

GBT驅動電路的選擇

IGBT全名叫絕緣柵雙極型三級管，它是在MOS管基礎上發展起來的，高耐壓，大電流三極管，在實際使用，IGBT驅動器的作用對整個換流系統來說同樣至關重要，由于IGBT的開關特性和安全工作區隨著柵極驅動電路的變化而變化，因而驅動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。

現在市場上比較常用的是日本三菱的M57962/M57959，瑞士2BB4035T，2SD315A.2BB0108T，這幾種產品現在使用率都比較高，可靠性也相對其他產品較好，M57962/M57959適合用于民用和工業產品，是屬于光電隔離，2BB4035T，2SD315A.2BB0108T主要用于大功率IGBT驅動，是屬于變壓器隔離，適合適用于溫度范圍比較寬的軍用產品。

幾種用于IGBT驅動的集成芯片

TLP250（TOSHIBA公司生產）

在一般較低性能的三相電壓源逆變器中，各種與電流相關的性能控制，通過檢測直流母線上流入逆變橋的直流電流即可，如變頻器中的自動轉矩補償、轉差率補償等。同時，這一檢測結果也可以用來完成對逆變單元中IGBT實現過流保護等功能。因此在這種逆變器中，對IGBT驅動電路的要求相對比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅動芯片主要有東芝公司生產的TLP250，夏普公司生產的PC923等等。這里主要針對TLP250做一介紹。

TLP250包含一個GaAlAs光發射二極管和一個集成光探測器，8腳雙列封裝結構。適合于IGBT或電力MOSFET柵極驅動電路。圖2為TLP250的內部結構簡圖，表1給出了其工作時的真值表。

TLP250的典型特征如下：

1）輸入閾值電流（IF）：5 mA（最大）；2）電源電流（ICC）：11 mA（最大）；3）電源電壓（VCC）：10～35 V；4）輸出電流（IO）：±0.5 A（最小）；

5）開關時間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）；6）隔離電壓：2500 Vpms（最小）。

表2給出了TLP250的開關特性，表3給出了TLP250的推薦工作條件。

注：使用TLP250時應在管腳8和5間連接一個0.1μF的陶瓷電容來

穩定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會損壞開關性能，電容和光耦之間的引線長度不應超過1 cm。圖3和圖4給出了TLP250的兩種典型的應用電路。

在圖4中，TR1和TR2的選取與用于IGBT驅動的柵極電阻有直接的關系，例如，電源電壓為24V時，TR1和TR2的Icmax≥24/Rg。

圖5給出了TLP250驅動IGBT時，1 200 V/200 A的IGBT上電流的實驗波形（50 A/10μs）。可以看出，由于TLP250不具備過流保護功能，當IGBT過流時，通過控制信號關斷IGBT，IGBT中電流的下降很陡，且有一個反向的沖擊。這將會產生很大的di/dt和開關損耗，而且對控制電路的過流保護功能要求很高。

TLP250使用特點：

1）TLP250輸出電流較小，對較大功率IGBT實施驅動時，需要外加功率放大電路。

2）由于流過IGBT的電流是通過其它電路檢測來完成的，而且僅僅檢測流過IGBT的電流，這就有可能對于IGBT的使用效率產生一定的影響，比如IGBT在安全工作區時，有時出現的提前保護等。

3）要求控制電路和檢測電路對于電流信號的響應要快，一般由過電流發生到IGBT可靠關斷應在10μs以內完成。

4）當過電流發生時，TLP250得到控制器發出的關斷信號，對IGBT的柵極施加一負電壓，使IGBT硬關斷。這種主電路的dv/dt比正常開關狀態下大了許多，造成了施加于IGBT兩端的電壓升高很多，有時就可能造成IGBT的擊穿。

EXB8..Series（FUJI ELECTRIC公司生產）

隨著有些電氣設備對三相逆變器輸出性能要求的提高及逆變器本身的原因，在現有的許多逆變器中，把逆變單元IGBT的驅動與保護和主電路電流的檢測分別由不同的電路來完成。這種驅動方式既提高了逆變器的性能，又提高了IGBT的工作效率，使IGBT更好地在安全工作區工作。這類芯片有富士公司的EXB8..Series、夏普公司的PC929等。在這里，我們主要針對EXB8..Series做一介紹。

EXB8..Series集成芯片是一種專用于IGBT的集驅動、保護等功能于一體的復合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅動用變頻器、伺服電機驅動、UPS、感應加熱和電焊設備等工業領域。具有以下的特點：

1）不同的系列（標準系列可用于達到10 kHz開關頻率工作的IGBT，高速系列可用于達到40 kHz開關頻率工作的IGBT）。2）內置的光耦可隔離高達2 500 V/min的電壓。

3）單電源的供電電壓使其應用起來更為方便。

4）內置的過流保護功能使得IGBT能夠更加安全地工作。5）具有過流檢測輸出信號。

6）單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式。常用的EXB8..Series主要有：標準系列的EXB850和EXB851，高速系列的EXB840和EXB841。其主要應用場合如表4所示。

注：1）標準系列：驅動電路中的信號延遲≤4μs

2）高速系列：驅動電路中的信號延遲≤1.5μs

圖6給出了EXB8..Series的功能方框圖。

表5給出了EXB8..Series的電氣特性。

表6給出了EXB8..Series工作時的推薦工作條件。表6 EXB8..Series工作時的推薦工作條件

圖7給出了EXB8..Series的典型應用電路。

EXB8..Series使用不同的型號，可以達到驅動電流高達400 A，電壓高達1200 V的各種

型號的IGBT。由于驅動電路的信號延遲時間分為兩種：標準型（EXB850、EXB851）≤4μs，高速型（EXB840、EXB841）≤1μs，所以標準型的IC適用于頻率高達10 kHz的開關操作，而高速型的IC適用于頻率高達40 kHz的開關操作。在應用電路的設計中，應注意以下幾個方面的問題：——IGBT柵射極驅動電路接線必須小于1 m；

——IGBT柵射極驅動電路接線應為雙絞線；

——如想在IGB集電極產生大的電壓尖脈沖，那么增加IGBT柵極串聯電阻（Rg）即可；

——應用電路中的電容C1和C2取值相同，對于EXB850和EXB840來說，取值為33μF，對于EXB851和EXB841來說，取值為47μF。該電容用來吸收由電源接線阻抗而引起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。

EXB8..Series的使用特點：

1）EXB8..Series的驅動芯片是通過檢測IGBT在導通過程中的飽和壓降Uce來實施對IGBT的過電流保護的。對于IGBT的過電流處理完全由驅動芯片自身完成，對于電機驅動用的三相逆變器實現無跳閘控制有較大的幫助。

2）EXB8..Series的驅動芯片對IGBT過電流保護的處理采用了軟關斷方式，因此主電路的dv/dt比硬關斷時小了許多，這對IGBT的使用較為有利，是值得重視的一個優點。

3）EXB8..Series驅動芯片內集成了功率放大電路，這在一定程度上提高了驅動電路的抗干擾能力。4）EXB8..Series的驅動芯片最大只能驅動1 200V/300 A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大電路，另外，從圖7中可以看出，該類芯片為單電源供電，IGBT的關斷負電壓信號是由芯片內部產生的－5 V信號，容易受到外部的干擾。因此對于300 A以上的IGBT或者IGBT并聯時，就需要考慮別的驅動芯片，比如三菱公司的M57962L等。

圖8給出了EXB841驅動IGBT時，過電流情況下的實驗波形。可以看出，正如前面介紹過的，由于EXB8..Series芯片內部具備過流保護功能，當IGBT過流時，采用了軟關斷方式關斷IGBT，所以IGBT中電流是一個較緩的斜坡下降，這樣一來，IGBT關斷時的di/dt明顯減少，這在一定程度上減小了對控制電路的過流保護性能的要求。

M579..Series（MITSUBISHI公司生產）

M579..Series是日本三菱公司為IGBT驅動提供的一種IC系列，表7給出了這種系列的幾種芯片的基本應用特性（其中有＊者為芯片內部含有Booster電路）。

在M579..Series中，以M57962L為例做出一般的解釋。隨著逆變器功率的增大和結構的復雜，驅動信號的抗干擾能力顯得尤為重要，比較有效的辦法就是提高驅動信號關斷IGBT時的負電壓，M57962L的負電源是外加的（這點和EXB8..Series不同），所以實現起來比較方便。它的功能框圖和圖6所示的EXB8..Series功能框圖極為類似，在此不再贅述。圖9給出了M57962L在驅動大功率IGBT模塊時的典型電路圖。在這種電路中，NPN和PNP構成的電壓提升電路選用快速晶體管（tf≤200 ns），并且要有足夠的電流增益以承載需要的電流。

在使用M57962L驅動大功率IGBT模塊時，應注意以下三個方面的

問題：

1）驅動芯片的最大輸出電流峰值受柵極電阻Rg的最小值限制，例如，對于M57962L來說，Rg的允許值在5Ω左右，這個值對于大功率的IGBT來說高了一些，且當Rg較高時，會引起IGBT的開關上升時間td（on）、下降時間td（off）以及開關損耗的增大，在較高開關頻率（5 kHz以上）應用時，這些附加損耗是不可接受的。2）即便是這些附加損耗和較慢的開關時間可以被接受，驅動電路的功耗也必須考慮，當開關頻率高到一定程度時（高于14 kHz），會引起驅動芯片過熱。

3）驅動電路緩慢的關斷會使大功率IGBT模塊的開關效率降低，這是因為大功率IGBT模塊的柵極寄生電容相對比較大，而驅動電路的輸出阻抗不夠低。還有，驅動電路緩慢的關斷還會使大功率IGBT模塊需要較大的吸收電容。

以上這三種限制可能會產生嚴重的后果，但通過附加的Booster電路都可以加以克服，如圖9所示。

從圖10（a）可以看出，在IGBT過流信號輸出以后，門極電壓會以一個緩慢的斜率下降。圖10（b）及圖10（c）給出了IGBT短路時的軟關斷過程（集電極－發射極之間的電壓uCE和集電極電流iC的軟關斷波形）

EXB841模塊的分析

EX841高速驅動模塊為15腳單列直插式結構，采用高隔離電壓光耦合器作為信號隔離，內部結構圖如圖l所示，其工作頻率可達40 kHz，可以驅動400 M600 V以內及300 A/l200 V的IGBT管，其隔離電壓可達2500AC/min，工作電源為獨立電源20±1V，內部含有一5V穩壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅動電壓，關斷時提供一5V的偏置電壓，使其可靠關斷。當腳15和腳14有10 mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT在1μs內導通；而當腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使IGBT關斷；若ICBT導通時因承受短路電流而退出飽和，Vce迅速上升，腳6懸空，腳3電位在短路后約3．5μs后才開始軟降。

EXB841典型應用圖如圖2所示，電容C1、C2用于吸收高頻噪音。當腳3輸出脈沖的同時，通過快速二極管D1檢測IGBT的C—E間的電壓。當Vce》7V時，過流保護電流控制運算放大器，使其輸出軟關斷信號，在10μs內將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護電路，一旦產生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護信號輸出，經過一定延時，以防止誤動作和保證進行軟關斷，然后由觸發器鎖定，實現保護。

缺點：EXB84l過流保護閥值過高，Vce》7V時動作，此時已遠大于飽和壓降；存在保護肓區；在實現止常關斷時僅能提供一5V偏壓，在開關頻率較高、負載過大時，關斷就顯得不可靠；無過流保護自鎖功能，在短路保護時其柵壓的軟關斷過程被輸入的關斷信號所打斷。

M57962L模塊的分析

M57962AL是一種14腳單列直捕式結構的厚膜驅動模塊，其內部結構圖如圖3所示。它由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復位電路以及門關斷電路組成，驅動功率大，町以驅動600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模塊。

M5796AL具有高速的輸入輸出隔離，絕緣電壓也可達到AC 2500V/min；輸入電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；內部有定時邏輯短路保護電路，同時具有延時保護特性；采用雙電源供電方式，相對于EXB84l來說，雖然多使用一個電源．但IGBT可以更可靠地通斷。典型應用圖如圖4所示。當驅動信號通過腳14和腳13時，經過高速光耦隔離，由M57962AL內置接口電路傳輸至功率放大極，在M57962AL的腳5產生+15V開柵和一10V關柵電壓，驅動IGBT通斷。當腳1檢測到電壓為7V時，模塊認定電路短路，立即通過光耦輸出關斷信號，使腳5輸出低電平，從而將IGBT的G—E兩端置于負向偏置，可靠關斷。同時，輸出誤差信號使故障輸出端（腳8）為低電平，從而驅動外接的保護電路工作。延時2～3s后，若檢測到腳13為高電平，則M57962AL恢復工作。穩壓管DZ1用于防止D1擊穿而損壞M57962AL，Rg為限流電阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以確保可靠通斷。

比較：與EXB841相比，M57962AL需要雙電源（+15V，一1OV）供電，外周電路復雜。而正是因為M57962AL可輸出一10V的偏壓，使得IGBT可靠地關斷；另外，M57962AL具有過流保護自動閉鎖功能，并且軟關斷時間可外部調節，而EXB84l的軟關斷時間無法調節。所以M57962AL較EXB841更安全、可靠。

HL402模塊的分析

HL402是17腳單列直插式結構，內置有靜電屏蔽層的高速光耦合器實現信號隔離，抗干擾能力強，響應速度快，隔離電壓高。它具有對IGBT進行降柵壓、軟關斷雙重保護功能，在軟關斷及降柵壓的同時能輸出報警信號，實現封鎖脈沖或分斷主回路的保護。它輸出驅動電壓幅值高，正向驅動電壓可達15～17V，負向偏置電壓可達10～12V，因而可用來直接驅動容量為400A/600V及300A/1200V以下的IGBT。

HL402結構圖如圖5所示。圖5中，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器，它用來實現與輸入信號的隔離。由于它具有靜電屏蔽，因而顯著提高了HL402抗共模干擾的能力。圖5中U1為脈沖放大器，S1、S2實現驅動脈沖功率放大，U2為降柵壓比較器，正常情況下由于腳9輸入的IGBT集電極電壓VCE不高于U2的基準電壓VREF，U2不翻轉，S3不導通，故從腳17和腳16輸入的驅動脈沖信號經S2整形后不被封鎖。該驅動脈沖經S2、S2放大后提供給IGBT使其導通或關斷，一旦IGBT退飽和，則腳9輸入集電極電壓給IGBT使其導通或關斷，并且腳9輸入的集電極電壓采樣信號VCE高于U2的基準電壓VREF，比較器U2翻轉輸出高電平，使S3導通，由穩壓管DZ2將驅動器輸出的柵極電壓VGE降低到10V。此時，軟關斷定時器U3在降柵壓比較器U2翻轉達到設定的時間后，輸出正電壓使S4導通，將柵極電壓軟關斷降到IGBT的柵射極門限電壓，給IGBT提供一個負的驅動電壓，保證IGBT可靠關斷。

HL402典型應用圖如圖6所示。在實際電路中，C1、C2、C3、C4需盡可能地靠近H1402的腳2、腳l、腳4安裝。為了避免高頻耦合及電磁干擾，由HL402輸出到被驅動IGBT柵射極的引線需要采用雙絞線或同軸電纜屏蔽線，其引線長度不超過1m。腳9和腳13接至IGBT集電極的引線必須分開走，不得與柵極和發射極引線絞合，以免引起交叉干擾。光耦合器L1可輸入脈沖封鎖信號，當L1導通時，HLA02輸出脈沖立即被封鎖至-10V。光耦合器L2提供軟關斷報警信號，它在軀動器軟關斷的同時導通光耦合器L3，提供降柵壓報警信號。使用中，通過調整電容器C5、C6、C7的值，可以將保護波形中的降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關斷斜率時間調整至合適的值。在高頻應用時，為了避免IGBT受到多次過電流沖擊，可在光耦合器L2輸出數次或1次報警信號后，將輸入腳16和腳17間的信號封鎖。

小結：以上三者中，M57962AL和HL402都采用陶瓷基片黑色包裝，EXB841采用覆銅板黃色包裝，由于陶瓷基片的散熱性能和頻率特性比覆銅板好，HL402的負載能力和散熱性能最好，加之合理的布局設計，在三者中的工作頻率最高，保護功能最全，而EXB841和M57962AL都沒有降柵壓保護功能。另外，HL402和M57962AL提供負偏壓的穩壓管，放于外部，既有靈活性又提高了可靠性，而EXB841的穩壓管在內部，經常因穩壓管的損壞而失效。因此，HL402憑借其優越的性能可以彌補另外兩者的缺陷。

GH-039模塊的分析

GH-039采用單列直插式12腳封裝，功耗低、工作中發熱很小，可以高密度使用它采用單電源工作，內置高速光耦合器，帶有軟關斷過流保護電路，過流保護除閉鎖自身輸出外，還給出供用戶使用的同步輸出端。它可以用來直接驅動300A/600V以下的IGBT模塊。其內部結構圖如圖7所示，工作原理與EXB和M57系列模塊相類似，這里不再贅述。而與EXB系列和M57系列的模塊不同的是該模塊已含有保護后發送報警或動作信號的光耦合器，所以使用中不需要像EXB和M57系列的模塊外接光耦合器，因而更加方便，其性能比EXB和M57系列的模塊在保護性能上更加優越；在可靠性方面，由于GH-039是單電源供電，不能提供負偏壓，從而導致ICBT不能可靠地關斷。與HL402相比，CH-039保護功能還不完善，它也同EXB841和M57962AL一樣無降柵壓保護。因此，GH-039驅動模塊也是有缺陷的。

GH-039典型接線圖如圖8所示。工作電源VCC為26V；為了保持電壓穩定，濾波電容器應盡可能靠近GH一039模塊安裝和使用，且其電容值不能小于10μF，并應選用高質量的電容；串入GH-039腳12與ICBT集電極之間的二極管D1，應選超快速恢復二極管，并且要保證其反向耐壓不低于ICBT的集電極與柵極之間的額定電壓；為防止所連接的過流保護端子光電隔離器的誤動作，應在D1與GH一039的腳12之間串入100Ω的電阻；接于腳lO與腳12

之間的D2選用超快速恢復二極管，其反向耐壓可以低于IGBT的集射極間耐壓。

其他驅動器

（1）IR系列驅動器IR系列驅動器主要是為驅動橋臂電路而設計的，該芯片具有14腳，DIP封裝。它具有過流保護和欠壓保護功能，特別是它具有自舉浮動電源大大簡化了驅動電源的設計，只用一路電源即可驅動多個功率器件。其缺點是本身不能產生負偏壓，當用于驅動橋式電路時，由于米勒效應的作用，在開通與關斷時刻，容易在柵極上產生干擾，造成橋臂短路；另外IR系列驅動器采用了不隔離的驅動方式，在主電路的功率器件損壞時，高壓可能直接串入驅動器件，致使驅動模塊及前極電路損壞。

（2）UC37系列驅動器該系列驅動器一般由UC3726和UC3727兩片芯片配對使用，其工作頻率較高，但在兩芯片之間需增加脈沖變壓器，給電路的使用和設計帶來不便，因此該系列驅動器在我同并未得到推廣

通過以上分析比較，可得到如下結論。

（1）以上6個系列的驅動器均能實現對IGBT的驅動與保護；

（2）EXB84l外周電路簡單，僅需單電源供電，是最早進入我國市場的ICBT驅動模塊，技術成熟，應用廣泛；

（3）EXB841與M57962AL在IGBT關斷期間均能在柵極上施加負電壓，進一步保證了IGBT的可靠關斷；

（4）EXB841、M57962AL、GH一039和HL402都是自身帶有對IGBT進行退飽和及過流保護功能的ICBT驅動模塊，且都是通過檢測IGBT集射極間的電壓來完成保護功能的。但EXB841、M57962AL、GH一039在ICBT出現退飽和或過流時，僅可進行軟關斷的保護。而HL402不但能進行軟關斷保護，還可進行降柵壓保護。因此，HL402是四者中保護功能最強，保護功能設計最合理和保護性能使用最方便的IGBT驅動器；

（5）驅動相同個數的IGBT功率開關時，IR系列所需工作電源最少，但不具有負偏壓，容易造成橋臂短路，適用于小功率驅動場合。