三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動電路的分析

摘要：對幾種三相逆變器中常用的IGBT驅(qū)動專用集成電路進行了詳細的分析，對TLP250、EXB8系列和M579系列進行了深入的討論，給出了它們的電氣特性參數(shù)和內(nèi)部功能方框圖，還給出了它們的典型應用電路。討論了它們的使用要點及注意事項。對每種驅(qū)動芯片進行了IGBT的驅(qū)動實驗，通過有關的波形驗證了它們的特點。最后得出結(jié)論：IGBT驅(qū)動集成電路的發(fā)展趨勢是集過流保護、驅(qū)動信號放大功能、能夠外接電源且具有很強抗干擾能力等于一體的復合型電路。
關鍵詞：絕緣柵雙極晶體管；集成電路；過流保護

1前言
電力電子變換技術的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器件得到了迅速的發(fā)展。20世紀80年代，為了給高電壓應用環(huán)境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）[1]。在IGBT中，用一個MOS門極區(qū)來控制寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了一種具有功率MOSFET的高輸入阻抗與雙極型器件優(yōu)越通態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件，它具有控制功率小、開關速度快和電流處理能力大、飽和壓降低等性能。在中小功率、低噪音和高性能的電源、逆變器、不間斷電源（UPS）和交流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計中，它是目前最為常見的一種器件。
功率器件的不斷發(fā)展，使得其驅(qū)動電路也在不斷地發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多專用的驅(qū)動集成電路。IGBT的觸發(fā)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。圖1為一典型的IGBT驅(qū)動電路原理示意圖。因為IGBT柵極卜⑸浼阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。

對IGBT驅(qū)動電路的一般要求[2][3]：
1）柵極驅(qū)動電壓IGBT開通時，正向柵極電壓的值應該足夠令IGBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時也應限制短路電流和它所帶來的功率應力。在任何情況下，開通時的柵極驅(qū)動電壓，應該在12～20V之間。當柵極電壓為零時，IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證IGBT在集電極卜⑸浼電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關斷，必須在柵極上施加一個反向關斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關斷損耗。反向偏壓應該在－5～－15V之間。
2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）選擇適當?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對IGBT柵極驅(qū)動相當重要。IGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對IGBT的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關時間和開關損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來的誤導通），但與此同時，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導致柵極－發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動導線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。
3）柵極驅(qū)動功率IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動負、正偏置電壓的差值ΔUGE、柵極總電荷QG和工作頻率fs的影響。電源的最大峰值電流IGPK為：

在本文中，我們將對幾種最新的用于IGBT驅(qū)動的集成電路做一個詳細的介紹，討論其使用方法和優(yōu)缺點及使用過程中應注意的問題。
2幾種用于IGBT驅(qū)動的集成芯片
2.1TLP250（TOSHIBA公司生產(chǎn)）
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(zhuǎn)矩補償、轉(zhuǎn)差率補償?shù)取Ｍ瑫r，這一檢測結(jié)果也可以用來完成對逆變單元中IGBT實現(xiàn)過流保護等功能。因此在這種逆變器中，對IGBT驅(qū)動電路的要求相對比較簡單，成本也比較低。這種類型的驅(qū)動芯片主要有東芝公司生產(chǎn)的TLP250，夏普公司生產(chǎn)的PC923等等。這里主要針對TLP250做一介紹。
TLP250包含一個GaAlAs光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，8腳雙列封裝結(jié)構(gòu)。適合于IGBT或電力MOSFET柵極驅(qū)動電路。圖2為TLP250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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）：5mA（最大）；
2）電源電流（ICC）：11mA（最大）；
3）電源電壓（VCC）：10～35V；
4）輸出電流（IO）：±0.5A（最?。?；
5）開關時間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）；
6）隔離電壓：2500Vpms（最?。?。
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(wěn)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1cm。
圖3和圖4給出了TLP250的兩種典型的應用電路。