字体大小：近年来绝缘栅双极晶体管IGBT以其优越的性能在变流器.PDF

字体大小： 近年来 , 绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 以其优越的性能 , 在变流器中取代了其他大功率开关器件,正确使用 IGBT 的关键问题是要有比较 好的驱动电路 , 在驱动波形 , 正、反偏 , 保护等方面驱动电路都要满足 IGBT 的驱动要求.因此 , 分析与设计良好的驱动电路是应用好 IGBT 的前提 [1] .尽管这方面的研究已经颇多 , 但多偏重于专用驱动模块的讨论.本文从经济实用的角度出发 , 另辟途径 , 用分立元 件、 555 定时器、光耦合器等元件来研制 IGBT 的驱动电路. 1 IGBT 对门极驱动电路的要求 IGBT 是由 MOSFET 和晶体管技术结合而成的复合型器件 , 其内部结构 :IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 型晶体 管 , 简化等效电路见图 1[2] . 图 1 IGBT 的简化等效电路 IGBT 属于场控器件 , 在门极施以正电压时 ,MOSFET 内形成沟道 , 并为 PNP 晶体管提供基极电流 , 从而使 IGBT 导通 ; 在门极 上施以负电压时 ,MOSFET 内的沟道消失 ,PNP 晶体管的基极电流被切断 ,IGBT 即为关断.由此可见 ,IGBT 的开通和关断是由门极电 压来控制的 [1][3] .再结合 IGBT 的静态和动态特性 ,IGBT 对门极驱动电路的要求为 [4]:(1)IGBT 与 MOSFET 都是电压驱动 , 都具 有一个 2.5V~5V 的阈值电压 , 有一个容性输入阻抗 , 因此 IGBT 对门极电荷集聚非常敏感 , 故驱动电路必须很可靠 , 要保证有一条 低阻抗值的放电回路 , 即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短 ;(2) 用低内阻的驱动源对门极电容充放电 , 以保证门极控制电压 Uge 有 足够陡峭的前后沿 , 使 IGBT 的开关损耗尽量小.另外 ,IGBT 开通后 , 门极驱动源应能提供足够的功率 , 使 IGBT 不退出饱和而损坏 ;(3) 驱动电路中 ,IGBT 的门极正偏压 (+Uge) 应为 +12V~+15V; 门极负偏压 (+Uge) 应为 +2V~+10V;(4) 驱动电路要能传递几十 kHz 的脉冲信号 ;(5) 在大电感负载下, IGBT 的开关时间不能太短 , 以限制 di/dt 所形成的尖峰电压 , 确保 IGBT 的安全 ;(6) 由 于 IGBT在电力电子设备中多用于高压场合 , 故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离 ;(7) 驱动电路应尽可能简单实用 , 最好自身 带有对 IGBT 的保护功能 , 有较强的抗干扰能力. 根据驱动要求 , 可以得出驱动电路中 IGBT 门源电压 Uge( 即驱动电压 ) 的理想波形见图 2 . 图 2 驱动电压 Uge 的理想波形 2 两种方案 根据驱动要求 ,IGBT 的驱动电路必须具备二个基本功能 : 一是提供合适的门极驱动脉冲 ; 二是实现控制电路与被驱动 IGBT 门极 的电隔离 [5] .设计的思路是 :(1) 采用稳压二极管实现 5V 的恒偏压 , 再和 +20V 稳压源共同作用实现 +15V/-5V 的驱动电压 ;(2) 采用脉冲变压器、微分变压器或光耦合器来实现电隔离.笔者之所以选用 TLP 型普通光耦合器 , 原因有三 : 一是能够实现控制脉冲与驱 动电路的电隔离 ; 二是可在电路中作开关器件使用 , 以实现控制回路的闭合和关断 ; 三是经济实用 , 成本低廉. 2.1 由分立元件构成的 IGBT 驱动电路 : 图 3 为采用光耦合器等分立元件构成的 IG2BT 驱动电路.该电路的特点是采用晶体三极管组成互补推挽式电路 , 为电流提供正向和 反向通路 , 以实现 IGBT 门极驱动电压的正、反偏变换. 当输入控制脉冲信号为高电平时 , 光耦合器 U1(A4N25) 导通 , 晶体管 Q1 截止 ,Q2 导通 , 在稳压二极管 D3(D1N75