三相逆變器中IGBT的幾種驅(qū)動(dòng)電路的分析

摘要：對(duì)幾種三相逆變器中常用的IGBT驅(qū)動(dòng)專用集成電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)TLP250、EXB8系列和M579系列進(jìn)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(yīng)用電路。討論了它們的使用要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。對(duì)每種驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行了IGBT的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)有關(guān)的波形驗(yàn)證了它們的特點(diǎn)。最后得出結(jié)論：IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路的發(fā)展趨勢(shì)是集過(guò)流保護(hù)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大功能、能夠外接電源且具有很強(qiáng)抗干擾能力等于一體的復(fù)合型電路。
關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極晶體管；集成電路；過(guò)流保護(hù)

1前言
電力電子變換技術(shù)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(jì)80年代，為了給高電壓應(yīng)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(gè)MOS門極區(qū)來(lái)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(guān)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)電路也在不斷地發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多專用的驅(qū)動(dòng)集成電路。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)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(dòng)電路原理示意圖。因?yàn)镮GBT柵極卜⑸浼阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。

對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的一般要求[2][3]：
1）柵極驅(qū)動(dòng)電壓IGBT開通時(shí)，正向柵極電壓的值應(yīng)該足夠令I(lǐng)GBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來(lái)的功率應(yīng)力。在任何情況下，開通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)該在12～20V之間。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，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(shí)仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個(gè)反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在－5～－15V之間。
2）串聯(lián)柵極電阻（Rg）選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。IGBT的開通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對(duì)IGBT的動(dòng)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(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。所以，較小的柵極電阻增強(qiáng)了器件工作的耐固性（可避免dv/dt帶來(lái)的誤導(dǎo)通），但與此同時(shí)，它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導(dǎo)致柵極－發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。
3）柵極驅(qū)動(dòng)功率IGBT要消耗來(lái)自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)、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(duì)幾種最新的用于IGBT驅(qū)動(dòng)的集成電路做一個(gè)詳細(xì)的介紹，討論其使用方法和優(yōu)缺點(diǎn)及使用過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。
2幾種用于IGBT驅(qū)動(dòng)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(guān)的性能控制，通過(guò)檢測(cè)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(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、轉(zhuǎn)差率補(bǔ)償?shù)?。同時(shí)，這一檢測(cè)結(jié)果也可以用來(lái)完成對(duì)逆變單元中IGBT實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)等功能。因此在這種逆變器中，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本也比較低。這種類型的驅(qū)動(dòng)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(duì)TLP250做一介紹。
TLP250包含一個(gè)GaAlAs光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測(cè)器，8腳雙列封裝結(jié)構(gòu)。適合于IGBT或電力MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路。圖2為TLP250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，表1給出了其工作時(shí)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(guān)時(shí)間（tPLH/tPHL）：0.5μs（最大）；
6）隔離電壓：2500Vpms（最?。?br />表2給出了TLP250的開關(guān)特性，表3給出了TLP250的推薦工作條件。

注：使用TLP250時(shí)應(yīng)在管腳8和5間連接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容來(lái)穩(wěn)定高增益線性放大器的工作，提供的旁路作用失效會(huì)損壞開關(guān)性能，電容和光耦之間的引線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)1cm。
圖3和圖4給出了TLP250的兩種典型的應(yīng)用電路。