igbt驅(qū)動器是驅(qū)動igbt并對其整體性能進行調(diào)控的裝置，它不僅影響了igbt 的動態(tài)性能，同時也影響系統(tǒng)的成本和可靠性。驅(qū)動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導(dǎo)致 igbt 和驅(qū)動器損壞。

　　一、igbt驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)形式及特點

　　目前供igbt使用的驅(qū)動電路形式多種多樣 ，各自的功能也不盡相同。從綜合的觀點看 ，還沒有一種十全十美的電路。 　從電路隔離方式看，igbt驅(qū)動器可分成兩大類，一類采用光電耦合器，另一類采用脈沖變壓器，兩者均可實現(xiàn)信號的傳輸及電路的隔離。 　下面以日本富士公司的 exb841 驅(qū)動器為例 ，簡單說明光電耦合驅(qū)動器的工作原理（見圖）。圖中 + 20v驅(qū)動電源通過r1 和v5 分為+15v及 + 5v兩部分。當來自控制電路的控制脈沖進入光電耦合器v1 后 ，放大器使v3 導(dǎo)通 ，gbt柵極即得到一個 +15v 驅(qū)動信號并導(dǎo)通。當控制信號消失后 ，v4 導(dǎo)通 ，此時igbt即得到一個 - 5v 的柵源電壓并截止。igbt在導(dǎo)通期間過流時 ，會脫離飽和狀態(tài) ，此時uds升高。驅(qū)動器內(nèi)的保護電路通過 v6 檢測到這一狀態(tài)后 ，一方面在 10μs 內(nèi)逐步降低柵壓 ，使 igbt進入軟關(guān)斷狀態(tài) ，另一方面通過光耦 v2 向控制電路發(fā)出過流信號。

　　光電耦合驅(qū)動器的最大特點是雙側(cè)都是有源的 ，由它提供的正向脈沖及負向封鎖脈沖的寬度可以不受限制 ，而且可以較容易地通過檢測 igbt通態(tài)集電極電壓實現(xiàn)各種情況下的過流及短路保護 ，并對外送出過流信號。目前國內(nèi)外都趨向于把這種驅(qū)動器做成厚膜電路的形式 ，因此具有使用較方便 ，一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點。其不足之處是需要較多的工作電源。例如 ，全橋式開關(guān)電源一般需要四個工作電源 ，從而增加了電路的復(fù)雜性。驅(qū)動器中的光電耦合器盡管速度較高 ，但對脈沖信號仍會有 1μs左右的滯后時間 ，不適應(yīng)某些要求較高的場合。光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流2500v ，這對某些場合是不夠的。例如 ，許多逆變焊機的輸出直接反饋到控制電路 ，而國家的有關(guān)標準卻規(guī)定焊機輸入輸出之間應(yīng)能承受交流 電壓 從而給電路的設(shè)計增加了困4000v ，難。另外 一旦 燒壞 驅(qū)動器通常也隨之， igbt ，燒毀 從而增加了維修的復(fù)雜性及費用。

　　二、驅(qū)動電路的基本性能

　　IGBT器件的發(fā)射極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的靜態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但是柵極和發(fā)射極之間構(gòu)成了一個柵極電容CGs，因而在高頻率的交替導(dǎo)通和關(guān)斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率。小功率IGBT的CGs一般在10~l00pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容CGs較大，在1~l00pF，甚至更大，因而需要較大的動態(tài)驅(qū)動功率。

　　IGBT柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生，柵極驅(qū)動電路設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到由IGBT構(gòu)成的系統(tǒng)長期運行可靠性。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，同時也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。

　　IGBT正柵壓VGE越大，導(dǎo)通電阻越低，損耗越小。但是，如果VGE過大，一旦IGBT過流，會造成內(nèi)部寄生晶閘管的靜態(tài)擎柱效應(yīng)，造成IGBT失效。相反如果VGE過小，可能會使IGBT的工作點落人線性放大區(qū)，最終導(dǎo)致器件的過熱損壞。在任何情況下，開通時的柵極驅(qū)動電壓，應(yīng)該在12~20V之間。

　　當柵極電壓為零時，IGBT處于斷態(tài)。由于IGBT的關(guān)斷過程可能會承受很大的dv/dt，伴隨關(guān)斷浪涌電流，干擾柵極關(guān)斷電壓，可能造成器件的誤開通。為了保證IGBT在集電極-發(fā)射極電壓上出現(xiàn)dv/dt噪聲時仍保持關(guān)斷，必須在柵極上施加一個反向關(guān)斷偏壓，采用反向偏壓還可減少關(guān)斷損耗。反向偏壓應(yīng)該在—5~—15V之間。理想的心鄒驅(qū)動再路應(yīng)具有以下基本性能：

　　1）要求驅(qū)動電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓VGE。理論上VGE≥VGE（th），IGBT即可導(dǎo)通；當VGE太大時，可能引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。正向VGE越高，IGBT器件的VGES越低，越有利于降低器件的通態(tài)損耗。但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，并使續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此正偏壓要適當，一般不允許VGE超過+20V。關(guān)斷IGBT時，必須為IGBT器件提供—5~—15V的反向VGE，以便盡快抽取IGBT器件內(nèi)部的存儲電荷，縮短關(guān)斷時間，提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。采用反偏壓可減少關(guān)斷損耗，提高IGBT工作的可靠性。

　　2）要求驅(qū)動電路具有隔離的輸入、輸出信號功能，同時要求在驅(qū)動電路內(nèi)部信號傳輸無延時或延時很小。

　　3）要求在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻RG，用以控制VGE的前后沿陡度，進而控制IGBT器件的開關(guān)損耗。RG增大，VGE前后沿變緩，IGBT開關(guān)過程延長；開關(guān)損耗增加；RG減小，VGE前后沿變陡，IGBT器件開關(guān)損耗降低，同時集電極電流變化率增大。較小的柵極電阻使得IGBT的導(dǎo)通di/dt變大，會導(dǎo)致較高的dv/dt，增加了續(xù)流二極管恢復(fù)時的浪涌電壓。因此，在設(shè)計柵極電阻時要兼顧到這兩個方面的問題。因此，RG的選擇應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量、額定電壓及開關(guān)頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。

　　4）驅(qū)動電路應(yīng)具有過壓保護和dv/dt保護能力。當發(fā)生短路或過電流故障時，理想的驅(qū)動電路還應(yīng)該具備完善的短路保護功能。

　　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△VGE、柵極總電荷Qc和工作頻率Fs的影響。驅(qū)動電路電源的最大峰值電流IGPK為

　　IGPK=±（△VGE/RG）

　　驅(qū)動電路電源的平均功率PAV為

　　PAV=AVCE×Qc×Fs

　　驅(qū)動電路電源應(yīng)穩(wěn)定，能提供足夠高的正負柵壓，電源應(yīng)有足夠的功率，以滿足柵極對驅(qū)動功率的要求。在大電流應(yīng)用場合，每個柵極驅(qū)動電路最好都采用獨立的分立的隔離電源。驅(qū)動電路的電源和控制電路的電源應(yīng)獨立設(shè)置，以減小相互間的干擾，推薦使用帶多路輸出的開關(guān)電源作為驅(qū)動電路電源。

　　三、IGBT的驅(qū)動條件

　　嚴格地說，能否充分利用器件的性能，關(guān)鍵取決于驅(qū)動電路的設(shè)計。前面講過，理論上VGE≥VGE（th），IGBT即可導(dǎo)通；一般情況下VGE（th）=5~6V，當VGE增加時，通態(tài)壓降減小，通態(tài)損耗減小；但IGBT承受短路電流能力減小；當VGE太大時，可能引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。當VGE減小時，通態(tài)壓降增加，通態(tài)損耗增加。

　　為使通態(tài)壓降最小，同時IGBT又具有較好的承受短路電流能力，通常選取VGE≥D×VGE（th），當VGE（th）為6V，系數(shù)D分別為1.5、2、2.5、3時，VGE則分別為9V、12V、15V、18V；通常柵極驅(qū)動電壓VGE取12~15V為宜，12V最佳。IGBT關(guān)斷時，柵極加負偏壓，提高抗干擾能力，提高承受dv/dt能力，柵極負偏壓一般為-10V。

　　在IGBT柵極驅(qū)動電路設(shè)計時，應(yīng)特別注意導(dǎo)通特性、負載短路能力和dv GE/dt引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓VGE增加，通態(tài)電壓下降，導(dǎo)通能耗EON也下降，分別如圖2a和圖4-2b所示。若使VGE固定不變時，導(dǎo)通電壓將隨集電極的電流增大而增高；導(dǎo)通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。

　　圖2 正偏置電壓VGE（ON）與VCE和EON的關(guān)系

　　a）VGE（ON）與VCE的關(guān)系b）VGE（ON）與EON的關(guān)系

　　IGBT柵極負偏電壓-VGE直接影響IGBT的可靠運行，負偏電壓增高時集電極的浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著影響，-VGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系分別如圖3a和圖3b所示。柵極電阻RG增加，將使IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷時間增加；因而使導(dǎo)通與關(guān)斷能耗均增加。而柵極電阻減少，則又使di/dt增大，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時RG上的損耗也有所增加。

　　圖3-VGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系

　　a）-VGE與集電極浪涌電流關(guān)系b）-VGE與關(guān)斷能耗Eoff的關(guān)系

　　由上述不難得知：IGBT的特性隨柵極驅(qū)動條件的變化而變化，就像。雙極型晶體管的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動而變化一樣。然而，對于IGBT來說，柵極驅(qū)動條件僅對其關(guān)斷特性略有影響。

　　柵極驅(qū)動電路的阻抗，除了引起電流下降時間延遲外，柵極電阻還影響開關(guān)損耗。柵極電阻減小時，總損耗將減小。導(dǎo)通損耗主要由MOSFET的特性決定，關(guān)斷損耗主要由少子決定，導(dǎo)通損耗比關(guān)斷損耗受柵極電阻的影響更大。為了減小dv/dt的影響，柵極通常應(yīng)加人一個負偏壓。但是，這樣要求增加與高壓側(cè)開關(guān)器件隔離的電源。

　　柵極電壓的降低有助于控制IGBT承受短路電流的能力，降低柵極驅(qū)動電壓，能夠減小短路時的集電極電流和功耗。在IGBT柵極串人二極管、電阻網(wǎng)路，就能完成這種功能，并且響應(yīng)時間小于1μs。在IGBT驅(qū)動電路設(shè)計應(yīng)注意以下事項：

　　1） IGBT具有一個2.5~5V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBTr對柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動電路的設(shè)計必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。柵極正向驅(qū)動電壓的大小將對電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當正向驅(qū)動電壓增大時，IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅(qū)動電壓過大則負載短路時其短路電流Ic隨VGE增大而增大，可能使.IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動電壓過小會使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤VGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關(guān)斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負偏置電壓選-5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。

　　2） IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因為高速開通和關(guān)斷時，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

　　3） 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅(qū)動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數(shù)比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce/dt，但會增加IGBT的開關(guān)時間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制dic/dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic/dt效果不明顯。

　　4） 當IGBT關(guān)斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，而引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射問并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負柵壓相同。

　　5） 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓VGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT因不退出飽和而損壞。

　　6） 驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。

　　7） 在大電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。

　　8） 由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴格隔離。

　　9） IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，并要求有較強的抗干擾能力。

　　四、柵極電阻Rg的作用

　　1、消除柵極振蕩

　　絕緣柵器件（IGBT、MOSFET）的柵射（或柵源）極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅(qū)動器驅(qū)動脈沖的激勵下要產(chǎn)生很強的振蕩，因此必須串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。

　　2、轉(zhuǎn)移驅(qū)動器的功率損耗 電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多。

　　3、調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的通斷速度

　　柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗?。环粗畡t慢，同時開關(guān)損耗大。但驅(qū)動速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴重的將使整個裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。

　　五、igbt驅(qū)動器如何選擇？

　　1 確定igbt門極容量

　　在設(shè)計和選購igbt 驅(qū)動器之前，必須首先知道igbt 的門極負荷q，這是一個十分重要的參數(shù)，但在igbt 的技術(shù)參數(shù)中生產(chǎn)廠家一般并不直接給出，而需要我們借助其它參數(shù)得到。igbt 具有mosfet 的輸入級，在igbt的技術(shù)資料中往往有一個參數(shù)ciss，一般我們把它叫作輸入電容，該電容的測試往往是在ugs=0，uos=25v，f=1mhz 的情況下進行，由于密勒效應(yīng)， 該值往往比在ugs= o v 時要小，根據(jù)實踐經(jīng)驗，igbt 的輸入電容一般滿足下面的公式 　cin≈5ciss 　一般simens 和 eupec 公司的igbt 滿足上述公式。知道了igbt 的輸入電容cin，門極的負荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表門極的驅(qū)動電壓，大多數(shù)的igbt 開通電壓+15v，關(guān)斷電壓-5v，因而△u= 2 0 v ， 如應(yīng)用十分廣泛的e x b 8 4 1 系列。高電壓、大電流igbt 往往開通關(guān)斷均為15v，因而△ u= 3 0 v 。

　　2 開關(guān)頻率確定

　　開關(guān)頻率的大小不僅影響系統(tǒng)的控制精度，而且影響系統(tǒng)的整體性能，如運行效率，噪聲指標。開關(guān)頻率是所有電力電子變換器的一個重要參數(shù)。根據(jù)igbt 的門極容量，儲存在igbt 輸入電容中的能量可以計算得到每個脈沖周期柵極充放電各一次，因而驅(qū)動一只igbt 的功率為：f 為開關(guān)頻率。驅(qū)動器的平均輸出電流iout可以這樣得到：p=iout * △u 比較上面兩式q=iout / f 驅(qū)動器的平均電流在數(shù)據(jù)文檔可以找到，則igbt的最大允許開關(guān)頻率可以得到： 。

　　3 門極驅(qū)動電阻rg的選取

　　igbt的開關(guān)時間是由驅(qū)動器對igbt的輸入電容的充放電來控制，增加門極輸出電流，igbt 開通時間和關(guān)斷時間會相應(yīng)縮短，開關(guān)損耗也會降低，rg主要是用來限制門極輸出的降值電流， rg可由下式確定： rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驅(qū)動器數(shù)據(jù)文檔中找到。有些情況下，充放電峰值電流不同，門極電阻可以分別選取。

　　4 igbt驅(qū)動器的比較選擇

　　4.1 光電耦合和變壓器耦合式比較 　光電耦合隔離式采用直流電源，輸出脈沖寬度可調(diào)。通過檢測集電極電壓實現(xiàn)過電流保護。具有使用方便穩(wěn)定性好的優(yōu)點。缺點是雙側(cè)均采用電源，電路復(fù)雜。比如exb841驅(qū)動器，光電耦合器輸入與輸出之間耐壓一般較低為交流2500v，但實際使用中設(shè)備承受力不符合其條件，給使用帶來限制。另外，一旦igbt 燒壞，驅(qū)動器受到損壞給維修帶來不便且不經(jīng)濟。 　變壓器耦合隔離式不用專設(shè)的電源，線路簡單， 輸入輸出間耐壓高， 成本低、響應(yīng)快。缺點是igbt 關(guān)斷期間得不到持續(xù)的反向門極電壓，抗干擾能力差，且輸出脈沖寬度不可調(diào)，不能實現(xiàn)過電流保護，并且由于漏感的存在使繞組的繞制工藝復(fù)雜容易出現(xiàn)振蕩。

　　4.2 igbt 驅(qū)動器選擇 　目前市場上可見的驅(qū)動器：光電耦合隔離驅(qū)動器有日本富士exb841，國內(nèi)落木源電子ka101，日本英達hr065等。變壓器隔離式驅(qū)動器有美國unitrode公司uc3724-3725系列，還有專用的用來驅(qū)動一個橋臂上2個igbt的美國ir公司的ir2110及國內(nèi)落木源電子的kd303，還有德國西門子公司的skh121等。可供選用的范圍很廣，應(yīng)用方便。但使用時應(yīng)注意過電流問題， 比如exb841 系列驅(qū)動器，采用era34-10 型快速二極管， 導(dǎo)通電壓為3v ， 反向耐壓采用與igbt 相同的等級?？梢詫崿F(xiàn)自身過電流保護，但若igbt 過電流對其壽命是有影響的。解決辦法是： ①反串穩(wěn)壓管， 限制igbt 的電流為200a，使工作穩(wěn)定可靠且電路簡單;②采用電流傳感器進行直接限流。