IGBT栅极驱动的驱动条件和栅极电阻Rg的作用

　　igbt驱动器是驱动igbt并对其整体性能进行调控的装置，它不仅影响了igbt 的动态性能，同时也影响系统的成本和可靠性。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致 igbt 和驱动器损坏。

　　一、igbt驱动器的结构形式及特点

　　目前供igbt使用的驱动电路形式多种多样 ，各自的功能也不尽相同。从综合的观点看 ，还没有一种十全十美的电路。 　从电路隔离方式看，igbt驱动器可分成两大类，一类采用光电耦合器，另一类采用脉冲变压器，两者均可实现信号的传输及电路的隔离。 　下面以日本富士公司的 exb841 驱动器为例 ，简单说明光电耦合驱动器的工作原理（见图）。图中 + 20v驱动电源通过r1 和v5 分为+15v及 + 5v两部分。当来自控制电路的控制脉冲进入光电耦合器v1 后 ，放大器使v3 导通 ，gbt栅极即得到一个 +15v 驱动信号并导通。当控制信号消失后 ，v4 导通 ，此时igbt即得到一个 - 5v 的栅源电压并截止。igbt在导通期间过流时 ，会脱离饱和状态 ，此时uds升高。驱动器内的保护电路通过 v6 检测到这一状态后 ，一方面在 10μs 内逐步降低栅压 ，使 igbt进入软关断状态 ，另一方面通过光耦 v2 向控制电路发出过流信号。

　　光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的 ，由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制 ，而且可以较容易地通过检测 igbt通态集电极电压实现各种情况下的过流及短路保护 ，并对外送出过流信号。目前国内外都趋向于把这种驱动器做成厚膜电路的形式 ，因此具有使用较方便 ，一致性及稳定性较好的优点。其不足之处是需要较多的工作电源。例如 ，全桥式开关电源一般需要四个工作电源 ，从而增加了电路的复杂性。驱动器中的光电耦合器尽管速度较高 ，但对脉冲信号仍会有 1μs左右的滞后时间 ，不适应某些要求较高的场合。光电耦合器的输入输出间耐压一般为交流2500v ，这对某些场合是不够的。例如 ，许多逆变焊机的输出直接反馈到控制电路 ，而国家的有关标准却规定焊机输入输出之间应能承受交流 电压 从而给电路的设计增加了困4000v ，难。另外 一旦 烧坏 驱动器通常也随之， igbt ，烧毁 从而增加了维修的复杂性及费用。

　　二、驱动电路的基本性能

　　IGBT器件的发射极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和发射极之间构成了一个栅极电容CGs，因而在高频率的交替导通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率IGBT的CGs一般在10~l00pF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容CGs较大，在1~l00pF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。

　　IGBT栅极电压可由不同的驱动电路产生，栅极驱动电路设计的优劣直接关系到由IGBT构成的系统长期运行可靠性。正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。

　　IGBT正栅压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小。但是，如果VGE过大，一旦IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。相反如果VGE过小，可能会使IGBT的工作点落人线性放大区，最终导致器件的过热损坏。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12~20V之间。

　　当栅极电压为零时，IGBT处于断态。由于IGBT的关断过程可能会承受很大的dv/dt，伴随关断浪涌电流，干扰栅极关断电压，可能造成器件的误开通。为了保证IGBT在集电极-发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还可减少关断损耗。反向偏压应该在—5~—15V之间。理想的心鄒驱动再路应具有以下基本性能：

　　1）要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压VGE。理论上VGE≥VGE（th），IGBT即可导通；当VGE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。正向VGE越高，IGBT器件的VGES越低，越有利于降低器件的通态损耗。但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过电压增大。因此正偏压要适当，一般不允许VGE超过+20V。关断IGBT时，必须为IGBT器件提供—5~—15V的反向VGE，以便尽快抽取IGBT器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。采用反偏压可减少关断损耗，提高IGBT工作的可靠性。

　　2）要求驱动电路具有隔离的输入、输出信号功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很小。

　　3）要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻RG，用以控制VGE的前后沿陡度，进而控制IGBT器件的开关损耗。RG增大，VGE前后沿变缓，IGBT开关过程延长；开关损耗增加；RG减小，VGE前后沿变陡，IGBT器件开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。较小的栅极电阻使得IGBT的导通di/dt变大，会导致较高的dv/dt，增加了续流二极管恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极电阻时要兼顾到这两个方面的问题。因此，RG的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧姆到几十欧姆。

　　4）驱动电路应具有过压保护和dv/dt保护能力。当发生短路或过电流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。

　　栅极驱动功率

　　IGBT要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动负、正偏置电压的差值△VGE、栅极总电荷Qc和工作频率Fs的影响。驱动电路电源的最大峰值电流IGPK为

　　IGPK=±（△VGE/RG）

　　驱动电路电源的平均功率PAV为

　　PAV=AVCE×Qc×Fs

　　驱动电路电源应稳定，能提供足够高的正负栅压，电源应有足够的功率，以满足栅极对驱动功率的要求。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立的隔离电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立设置，以减小相互间的干扰，推荐使用带多路输出的开关电源作为驱动电路电源。