前言
絕緣柵場(chǎng)效應晶體管(IGBT)作為一種復合型器件，集成了MOSFET的電壓驅動(dòng)和高開(kāi)關(guān)頻率及功率管低損耗、大功率的特點(diǎn)，在電機控制、開(kāi)關(guān)電源、變流裝置及許多要求快速、低損耗的領(lǐng)域中有著(zhù)廣泛的應用。本文對應用于有源電力濾波器的IGBT的特性及其專(zhuān)有EXB84l型驅動(dòng)器的設計進(jìn)行討論，并提出一種具有完善保護功能的驅動(dòng)電路。
有源電力濾波器設計中應用4個(gè)IGBT作為開(kāi)關(guān)，并用4個(gè)EXB84l組成驅動(dòng)電路，其原理如圖l所示。在實(shí)驗中，根據補償電流與指令電流的關(guān)系，用數字信號處理器(DSP)控制PWM引腳的高低電平，并由驅動(dòng)電路控制IGBT的通斷。驅動(dòng)電路同時(shí)對過(guò)流故障進(jìn)行監測，由DSP采取封鎖控制信號、停機等處理。

圖一：實(shí)驗電路的原理圖

驅動(dòng)電路的設計
a 驅動(dòng)電路電源
驅動(dòng)電路需要4路相互隔離的直流電源為4路IGBT驅動(dòng)電路供電，用220V/22V變壓器對4路交流電源分別整流，用電容器和78L24型電壓調整器穩壓后輸出4路24V直流電壓，如圖2所示。

圖二：驅動(dòng)電路的電源設計
b  柵極電壓
IGBT通常采用柵極電壓驅動(dòng)，它對柵極驅動(dòng)電路有著(zhù)特殊的要求。柵極驅動(dòng)電壓脈沖的上升率和下降率要足夠大，導通時(shí)，前沿很陡的柵極電壓UGE可以使IGBT快速導通，并減小導通損耗，關(guān)斷時(shí)，其柵極驅動(dòng)電路要給IGBT提供一個(gè)下降很陡的關(guān)斷電壓，并在柵極和發(fā)射極之間施加一個(gè)適當的反向負偏壓，以便使IGBT快速關(guān)斷，并減小關(guān)斷損耗。IGBT導通后，柵極的驅動(dòng)電壓和電流要有足夠的寬度，以保證IGBT在瞬時(shí)過(guò)載時(shí)未退出飽和區受到損壞。柵極驅動(dòng)電壓推薦值為15 V±1.5 V，這個(gè)電壓值使IGBT完全飽和導通，并使通態(tài)損耗減至最小。施加關(guān)斷負偏壓可以抑制C-E間出現du/dt時(shí)IGBT的誤導通，也可以減少關(guān)斷損耗。

c 門(mén)極電阻R1
門(mén)極電阻R1的選取對通態(tài)電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗及承受短路的能力都有不同程度的影響。當門(mén)極電阻增大時(shí)，IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間增加，從而使導通和關(guān)斷損耗增加。當門(mén)極電阻減小時(shí)，則會(huì )導致di/dt增加，從而引起IGBT的誤導通。所以應根據IGBT的電流容量和電壓額定值以及開(kāi)關(guān)頻率的不同選擇R1的阻值。

Rl的值可以用下式計算：

IC為IGBT的集電極電流。如圖3所示，一般R1取十幾歐姆到幾十歐姆，R2為30 Ω。由于IGBT是壓控器件，當集-射極間加高壓時(shí)，很容易受外界干擾，而使柵-射極間電壓超過(guò)一定值，引起器件誤導通，為了防止這種現象的發(fā)生，在柵-射極間并聯(lián)一電阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍，而且應將它并聯(lián)在柵-射極最近處。電路中的電容器Cl和C2用來(lái)抑制因電源接線(xiàn)阻抗引起的供電電壓變化，而不是用于電源濾波。

d  EXB841驅動(dòng)環(huán)節
筆者在實(shí)驗中采用的是EXB841型專(zhuān)用IGBT驅動(dòng)模塊，其最高運行頻率為40 kHz，輸入信號經(jīng)內部光耦隔離，光隔驅動(dòng)電流為10 mA，最大延時(shí)約為1 μs。工作溫度范圍為-10℃~+85℃，供電電壓為+20 V～+25 V。筆者對EXB841功能進(jìn)行了擴展，圖3為驅動(dòng)環(huán)節電路。

 
圖三：驅動(dòng)環(huán)節的電路
EXB841的6引腳連接的二極管可檢測IGBT的飽和壓降，用來(lái)完成過(guò)流保護功能，4引腳的過(guò)流保護信號延時(shí)10μs輸出。當IGBT有過(guò)流時(shí)，若UCE大于7.5V，內部過(guò)流保護電路開(kāi)始動(dòng)作，軟關(guān)斷IG-BT。通常在IGBT通過(guò)額定電流時(shí)UCE為3.5 V，當UCE=7.5 V時(shí)，IGBT有過(guò)流，其值約為額定電流的3~5倍，但是由于沒(méi)有達到保護的閾值，保護電路不起作用。如果長(cháng)時(shí)間工作在這種狀態(tài)，則會(huì )導致IGBT損壞。為了可靠地保護IGBT，應該降低過(guò)流保護閾值，可以在D1與IGBT的集電極間反串一個(gè)穩壓管，或多串幾個(gè)與D1同規格的快速恢復二極管。如圖3通過(guò)反串一個(gè)IN4728型3.3 V穩壓管使保護閾值降為4.2V。當檢測到IGBT過(guò)流后，5引腳變?yōu)榈碗娖?，TPL521型光耦輸出低電平，通過(guò)與門(mén)封鎖控制信號輸入，同時(shí)使4輸入與非門(mén)輸出低電平，觸發(fā)功率驅動(dòng)保護中斷，完成相應的保護處理。

e  控制部分與驅動(dòng)部分的隔離
控制電路為弱電部分，極易受到干擾;驅動(dòng)電路直接與外電路連接，是一個(gè)較強的干擾源;為了實(shí)現整個(gè)設備的電磁兼容，控制電路部分必須與驅動(dòng)部分隔離。為了避免公共電源對控制電路產(chǎn)生干擾，應對控制電路及驅動(dòng)電路分別供電，EXB84l的電源電壓為+20 V，一般控制電路的供電電壓為5 V，因此，可以利用圖4所示的DC-DC微功率模塊進(jìn)行電源隔離，采A2405D型微功率模塊實(shí)現電源的隔離。

圖四：DC-DC微功率模塊

IGBT及驅動(dòng)電路的保護
a IGBT的過(guò)電壓保護
IGBT集-射極之間的瞬時(shí)過(guò)壓會(huì )對IGBT造成損壞，筆者采用箝位式吸收電路對瞬時(shí)過(guò)電壓進(jìn)行抑制。當IGBT導通時(shí)，由于二極管的作用，電容器的電荷不會(huì )被放掉，電容器電壓仍為電源電壓。IGBT關(guān)斷時(shí)，負載電流仍流過(guò)IGBT，直到IGBT集-射極之間電壓達到電源電壓，續流二極管導通。應用該電路，可以使雜散電感中的能量通過(guò)二極管轉儲到吸收電容器中，而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上，這樣就可以抑制IGBT集電極的尖峰電壓。吸收電容器的容值可以按公式(2)選?。?br />
式中，L是引線(xiàn)電感;i是IGBT關(guān)斷時(shí)的電流;△U是吸收電容器上的電壓過(guò)沖。

當吸收回路中的電容器電壓高于直流側電容器上的電壓時(shí)，通過(guò)電阻器向直流側電容器回送能量，一直到與直流側電容器的電壓相等。當IGBT關(guān)斷時(shí)，線(xiàn)路電感在集電極和發(fā)射極二端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，加上箝位式吸收電路以后，UCE被箝位在電容器電壓上，當UCE高于電容器電壓時(shí)，線(xiàn)路電感的能量被轉移到吸收電容器上，當尖峰電壓過(guò)去以后，吸收電容高于主電容的那部分電壓會(huì )由于能量回進(jìn)而達到與主電容相等。這樣就抑制了集-射極間的尖峰電壓。吸收電容越大，吸收效果越好。由于吸收電容器上過(guò)沖的能量大部分被送回到直流側電容，所以減小了電阻器的功耗。

b 消除IGBT集-柵極之間的du/dt
圖5所示為EXB841與IGBT柵-射極之間的連接電路原理圖。當驅動(dòng)電路中的V4導通時(shí)，IGBT處于正常導通狀態(tài)，當V5導通時(shí)，IGBT柵-射極之間通過(guò)穩壓管VZ2提供一個(gè)-5V電壓加在其兩端，使IGBT關(guān)斷，此時(shí)V5處于臨界導通狀態(tài)，穩壓管VZ2處于反向偏置狀態(tài)。但由于集-柵極之間分布電容的影響，集-柵極之間的du/dt增大時(shí)，其通過(guò)分布電容形成的電流經(jīng)過(guò)，所以，要克服集-柵極之間的du/dt，確保穩壓管不過(guò)壓，避免IGBT誤導通?？朔u/dt的方法有二種：一是驅動(dòng)電路輸出與IGBT柵-射極之間的連線(xiàn)采用雙絞屏蔽電纜，屏蔽層接地，二是采用快速吸收電路吸收過(guò)電壓。

圖五：EXB841與IGBT柵-極之間的連接電路原理

c EXB841的過(guò)流保護功能擴展
EXB841自身具有過(guò)流保護功能，其保護原理是利用IGBT的集電極通態(tài)飽和壓降與集電極電流呈近似線(xiàn)性關(guān)系。當IGBT工作在正常狀態(tài)時(shí)，EXB841的6腳電位箝制在8 V，內部保護不動(dòng)作，當IGBT因承受過(guò)流而退出飽和狀態(tài)時(shí)，IGBT集-射極間的電壓上升很多，與EXB84l的6引腳相連的快速二極管截止，EXB841的6引腳被懸空，內部保護動(dòng)作，輸出驅動(dòng)電壓慢慢下降，實(shí)現IGBT的軟關(guān)斷。

在實(shí)際應用中，僅靠EXB841的6引腳檢測IG-BT集電極電壓來(lái)實(shí)現過(guò)流保護并不足以有效地保護IGBT，因此有必要在主電路中加接霍爾電流傳感器來(lái)檢測電路中的過(guò)流，如圖6所示。過(guò)流發(fā)生后，檢測電路檢測到電流，延時(shí)8μs后信號還存在的話(huà)。封鎖驅動(dòng)信號以關(guān)斷IGBT。在圖中，霍爾電流傳感器如果在主電路中檢測到過(guò)流信號，其中的PNP三極管將導通，同時(shí)，NPN三極管被截止，EXB841的6腳被懸空;當沒(méi)有過(guò)流信號時(shí)，PNP三極管不導通，NPN三極管導通，此時(shí)電路等效于擴展前的電路。

圖六：過(guò)電流保護擴展

結束語(yǔ)
本設計應用以上電路對IGBT進(jìn)行驅動(dòng)和保護。此驅動(dòng)電路是在典型驅動(dòng)電路的基礎上進(jìn)行改進(jìn)和完善的，并且自行設計了隔離部分和過(guò)電流保護擴展部分。此驅動(dòng)電路相對簡(jiǎn)單、實(shí)用，對被驅動(dòng)的IGBT有完善的保護能力，輸出阻抗低，具有較強的抗干擾性能。

應用這種IGBT模塊的有源濾波器的樣機通過(guò)試驗，證明硬件能夠協(xié)調配合，控制效果穩定、精確，并且已經(jīng)批量制板。