IGBT集成驱动模块的研究

摘要：简要介绍了绝缘栅双极晶体管IGBT驱动保护电路的原则，详细分析了多种常用的ICBT集成驱动模块的特性，并进行了比较。
关键词：绝缘栅双极晶体管：集成驱动模块；驱动保护电路

0 引言
    随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模块化发展，绝缘栅双极品体管(IGBT)已广泛应用于开关电源、变频器、电机控制以及要求快速、低损耗的领域中。IGBT是复合全控型电压驱动式电力电子器件，兼有MOSFET和GTR的优点：输入阻抗高，驱动功率小，通态压降小，工作频率高和动态响应快。目前，市场上500~3000V，800～l800A的IGBT，因其耐高压、功率大的特性，已成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件。

1 驱动保护电路的原则
    由于是电压控制型器件，因此只要控制ICBT的栅极电压就可以使其开通或关断，并且开通时维持比较低的通态压降。研究表明，IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化。因此，为了保证IGBT可靠工作，驱动保护电路至关重要。

    IGBT驱动保护电路的原则如下。
    (1)动态驱动能力强，能为栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；
    (2)开通时能提供合适的正向栅极电压(12~15V)，关断时可以提供足够的反向关断栅极电压(一5V)；
    (3)尽可能少的输入输出延迟时间，以提高工作效率；
    (4)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；
    (5)出现短路、过流的情况下，具有灵敏的保护能力。

    目前，在实际应用中，普遍使用驱动与保护功能合为一体的IGBT专用的驱动模块。

2 集成驱动模块
    为了解决IGBT的可靠驱动问题，世界上各厂家丌发出了众多的IGBT集成驱动模块。如日本富士公司的EXB系列，三菱电机公司的M57系列，三社电机公司的GH系列，美国国际整流器公司的TR系列，Unitrode公司的UC37系列以及国产的HL系列。以下是几种典型的集成驱动模块。

2.1 EXB841模块的分析
    EX841高速驱动模块为15脚单列直插式结构，采用高隔离电压光耦合器作为信号隔离，内部结构图如图l所示，其工作频率可达40 kHz，可以驱动400 M600 V以内及300 A/l200 V的IGBT管，其隔离电压可达2500AC/min，工作电源为独立电源20±1V，内部含有一5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供一5V的偏置电压，使其可靠关断。当脚15和脚14有10 mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT在1μs内导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使IGBT关断；若ICBT导通时因承受短路电流而退出饱和，Vce迅速上升，脚6悬空，脚3电位在短路后约3．5μs后才开始软降。

    EXB841典型应用图如图2所示，电容C1、C2用于吸收高频噪音。当脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管D1检测IGBT的C—E间的电压。当Vce>7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，在10μs内将脚3输出电平降为O。因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护。

    缺点：EXB84l过流保护阀值过高，Vce>7V时动作，此时已远大于饱和压降；存在保护肓区；在实现止常关断时仅能提供一5V偏压，在开关频率较高、负载过大时，关断就显得不可靠；无过流保护自锁功能，在短路保护时其栅压的软关断过程被输入的关断信号所打断。

2．2 M57962L模块的分析
    M57962AL是一种14脚单列直捕式结构的厚膜驱动模块，其内部结构图如图3所示。它由光耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及门关断电路组成，驱动功率大，町以驱动600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模块。

    M5796AL具有高速的输入输出隔离，绝缘电压也可达到AC 2500V/min；输入电平与TTL电平兼容，适于单片机控制；内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性；采用双电源供电方式，相对于EXB84l来说，虽然多使用一个电源．但IGBT可以更可靠地通断。

    典型应用图如图4所示。当驱动信号通过脚14和脚13时，经过高速光耦隔离，由M57962AL内置接口电路传输至功率放大极，在M57962AL的脚5产生+15V开栅和一10V关栅电压，驱动IGBT通断。当脚1检测到电压为7V时，模块认定电路短路，立即通过光耦输出关断信号，使脚5输出低电平，从而将IGBT的G—E两端置于负向偏置，可靠关断。同时，输出误差信号使故障输出端(脚8)为低电平，从而驱动外接的保护电路工作。延时2～3s后，若检测到脚13为高电平，则M57962AL恢复工作。稳压管DZ1用于防止D1击穿而损坏M57962AL，Rg为限流电阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以确保可靠通断。

    比较：与EXB841相比，M57962AL需要双电源(+15V，一1OV)供电，外周电路复杂。而正是因为M57962AL可输出一10V的偏压，使得IGBT可靠地关断；另外，M57962AL具有过流保护自动闭锁功能，并且软关断时间可外部调节，而EXB84l的软关断时间无法调节。所以M57962AL较EXB841更安全、可靠。

2.3 HL402模块的分析
    HL402是17脚单列直插式结构，内置有静电屏蔽层的高速光耦合器实现信号隔离，抗干扰能力强，响应速度快，隔离电压高。它具有对IGBT进行降栅压、软关断双重保护功能，在软关断及降栅压的同时能输出报警信号，实现封锁脉冲或分断主回路的保护。它输出驱动电压幅值高，正向驱动电压可达15～17V，负向偏置电压可达10～12V，因而可用来直接驱动容量为400A/600V及300A/1200V以下的IGBT。

    HL402结构图如图5所示。图5中，VL1为带静电屏蔽的光耦合器，它用来实现与输入信号的隔离。由于它具有静电屏蔽，因而显著提高了HL402抗共模干扰的能力。图5中U1为脉冲放大器，S1、S2实现驱动脉冲功率放大，U2为降栅压比较器，正常情况下由于脚9输入的IGBT集电极电压VCE不高于U2的基准电压VREF，U2不翻转，S3不导通，故从脚17和脚16输入的驱动脉冲信号经S2整形后不被封锁。该驱动脉冲经S2、S2放大后提供给IGBT使其导通或关断，一旦IGBT退饱和，则脚9输入集电极电压给IGBT使其导通或关断，并且脚9输入的集电极电压采样信号VCE高于U2的基准电压VREF，比较器U2翻转输出高电平，使S3导通，由稳压管DZ2将驱动器输出的栅极电压VGE降低到10V。此时，软关断定时器U3在降栅压比较器U2翻转达到设定的时间后，输出正电压使S4导通，将栅极电压软关断降到IGBT的栅射极门限电压，给IGBT提供一个负的驱动电压，保证IGBT可靠关断。

    HL402典型应用图如图6所示。在实际电路中，C1、C2、C3、C4需尽可能地靠近H1402的脚2、脚l、脚4安装。为了避免高频耦合及电磁干扰，由HL402输出到被驱动IGBT栅射极的引线需要采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，其引线长度不超过1m。脚9和脚13接至IGBT集电极的引线必须分开走，不得与栅极和发射极引线绞合，以免引起交叉干扰。光耦合器L1可输入脉冲封锁信号，当L1导通时，HLA02输出脉冲立即被封锁至-10V。光耦合器L2提供软关断报警信号，它在躯动器软关断的同时导通光耦合器L3，提供降栅压报警信号。使用中，通过调整电容器C5、C6、C7的值，可以将保护波形中的降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率时间调整至合适的值。在高频应用时，为了避免IGBT受到多次过电流冲击，可在光耦合器L2输出数次或1次报警信号后，将输入脚16和脚17间的信号封锁。

    小结：以上三者中，M57962AL和HL402都采用陶瓷基片黑色包装，EXB841采用覆铜板黄色包装，由于陶瓷基片的散热性能和频率特性比覆铜板好，HL402的负载能力和散热性能最好，加之合理的布局设计，在三者中的工作频率最高，保护功能最全，而EXB841和M57962AL都没有降栅压保护功能。另外，HL402和M57962AL提供负偏压的稳压管，放于外部，既有灵活性又提高了可靠性，而EXB841的稳压管在内部，经常因稳压管的损坏而失效。因此，HL402凭借其优越的性能可以弥补另外两者的缺陷。

2．4 GH-039模块的分析
    GH-039采用单列直插式12脚封装，功耗低、工作中发热很小，可以高密度使用它采用单电源工作，内置高速光耦合器，带有软关断过流保护电路，过流保护除闭锁自身输出外，还给出供用户使用的同步输出端。它可以用来直接驱动300A/600V以下的IGBT模块。

    其内部结构图如图7所示，工作原理与EXB和M57系列模块相类似，这里不再赘述。而与EXB系列和M57系列的模块不同的是该模块已含有保护后发送报警或动作信号的光耦合器，所以使用中不需要像EXB和M57系列的模块外接光耦合器，因而更加方便，其性能比EXB和M57系列的模块在保护性能上更加优越；在可靠性方面，由于GH-039是单电源供电，不能提供负偏压，从而导致ICBT不能可靠地关断。与HL402相比，CH-039保护功能还不完善，它也同EXB841和M57962AL一样无降栅压保护。因此，GH-039驱动模块也是有缺陷的。

    GH-039典型接线图如图8所示。工作电源VCC为26V；为了保持电压稳定，滤波电容器应尽可能靠近GH一039模块安装和使用，且其电容值不能小于10μF，并应选用高质量的电容；串入GH-039脚12与ICBT集电极之间的二极管D1，应选超快速恢复二极管，并且要保证其反向耐压不低于ICBT的集电极与栅极之间的额定电压；为防止所连接的过流保护端子光电隔离器的误动作，应在D1与GH一039的脚12之间串入100Ω的电阻；接于脚lO与脚12之间的D2选用超快速恢复二极管，其反向耐压可以低于IGBT的集射极间耐压。

2．5 其他驱动器
    (1)IR系列驱动器 IR系列驱动器主要是为驱动桥臂电路而设计的，该芯片具有14脚，DIP封装。它具有过流保护和欠压保护功能，特别是它具有自举浮动电源大大简化了驱动电源的设计，只用一路电源即可驱动多个功率器件。其缺点是本身不能产生负偏压，当用于驱动桥式电路时，由于米勒效应的作用，在开通与关断时刻，容易在栅极上产生干扰，造成桥臂短路；另外IR系列驱动器采用了不隔离的驱动方式，在主电路的功率器件损坏时，高压可能直接串入驱动器件，致使驱动模块及前极电路损坏。
    (2)UC37系列驱动器 该系列驱动器一般由UC3726和UC3727两片芯片配对使用，其工作频率较高，但在两芯片之间需增加脉冲变压器，给电路的使用和设计带来不便，因此该系列驱动器在我同并未得到推广。

3 结语
    通过以上分析比较，可得到如下结论。
    (1)以上6个系列的驱动器均能实现对IGBT的驱动与保护；
    (2)EXB84l外周电路简单，仅需单电源供电，是最早进入我国市场的ICBT驱动模块，技术成熟，应用广泛；
    (3)EXB841与M57962AL在IGBT关断期间均能在栅极上施加负电压，进一步保证了IGBT的可靠关断；
    (4)EXB841、M57962AL、GH一039和HL402都是自身带有对IGBT进行退饱和及过流保护功能的ICBT驱动模块，且都是通过检测IGBT集射极间的电压来完成保护功能的。但EXB841、M57962AL、GH一039在ICBT出现退饱和或过流时，仅可进行软关断的保护。而HL402不但能进行软关断保护，还可进行降栅压保护。因此，HL402是四者中保护功能最强，保护功能设计最合理和保护性能使用最方便的IGBT驱动器；
    (5)驱动相同个数的IGBT功率开关时，IR系列所需工作电源最少，但不具有负偏压，容易造成桥臂短路，适用于小功率驱动场合。