高性能IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

馮志翔 謝家昊

（東南大學(xué)，江蘇 南京211189）

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是一種電壓控制、全控型的復(fù)合器件。和其他電力電子器件相同，其使用依賴于相匹配的驅(qū)動(dòng)電路。本文從電動(dòng)汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求出發(fā)，針對(duì)當(dāng)前一些驅(qū)動(dòng)電路存在的不足之處，設(shè)計(jì)了一種具備過流、過壓和欠壓保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了實(shí)際測試。同時(shí)，在電路設(shè)計(jì)過程中，筆者用PSpice軟件進(jìn)行了仿真輔助設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求

（1）合適的正反向電壓。在IGBT關(guān)斷時(shí)，由于電路其他部分的影響，有可能使IGBT誤導(dǎo)通，發(fā)生故障，而反向偏壓可以保證IGBT可靠關(guān)斷。同時(shí)用PSpice進(jìn)行仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，反向偏壓對(duì)IGBT開關(guān)速度有明顯的影響，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。

（2）合適的柵極電阻。柵極電阻主要有兩個(gè)作用，一是可以對(duì)由于線路電感和寄生電容產(chǎn)生的振蕩起阻尼作用，二是可以調(diào)節(jié)開關(guān)速度。在用PSpice進(jìn)行仿真過程中發(fā)現(xiàn)，隨著柵極電阻的增大，開關(guān)速度會(huì)下降。

（3）具有柵極電壓限幅電路。為了防止柵極電壓過高而導(dǎo)致元件被擊穿，驅(qū)動(dòng)電路中還應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)有柵極電壓限幅電路。一般采用穩(wěn)壓二極管即可滿足要求。

2 具體驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

2．1 集成驅(qū)動(dòng)模塊的選擇

經(jīng)過比較不同集成驅(qū)動(dòng)模塊，最終選擇日本三菱公司生產(chǎn)的厚膜式IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊M57962L。它由光電耦合電路、接口電路、保護(hù)電路（短路檢測、復(fù)位及柵極關(guān)斷）和驅(qū)動(dòng)級(jí)4部分組成。實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)IGBT型號(hào)為ff300r12kt3，母線電壓540V。

電路原理圖如圖1所示。

圖1 電路原理圖

電路具體參數(shù)主要涉及以下幾個(gè)方面的問題：

（1）對(duì)集電極額定電流300A的IGBT來說，VCC選擇＋12～＋15V比較合適，在這一點(diǎn)通態(tài)接近飽和值，是IGBT工作的最佳點(diǎn)。而為使IGBT在關(guān)斷期間可靠截止，給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT外加－10V左右的反向柵壓VEE比較合適。同時(shí)用PSpice進(jìn)行仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，反向偏壓對(duì)IGBT開關(guān)速度有明顯影響，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意。本電路中VCC＝＋14V，VEE＝－10V。

（2）在柵極通過穩(wěn)壓二極管將柵極正向電壓控制在18V以內(nèi)，反向電壓控制在－10V以內(nèi)，從而保證了IGBT工作在安全區(qū)內(nèi)，同時(shí)確保IGBT柵極不被擊穿。

（3）電路在剛開始工作時(shí)就已經(jīng)通電，但由于IGBT還沒開始工作，G極電荷無法釋放，有可能引起元件擊穿，因此需要在G、E極之間接一電阻作為電荷的釋放通道，我們選擇了10kΩ電阻。

2．2 柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇

柵極驅(qū)動(dòng)電阻的取值非常重要，適當(dāng)數(shù)值的柵極電阻能有效地抑制振蕩、減短開關(guān)開通時(shí)間、改善電流上沖波形、減小電壓浪涌。我們通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法確定了較優(yōu)的柵極電阻。

首先，使用PSpice進(jìn)行了仿真測試，定性地確定柵極電阻的大致數(shù)值。

從仿真結(jié)果（圖2～圖4）可以看出，在沒有柵極電阻時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形振蕩嚴(yán)重，無法正常工作。加一很小的柵極電阻后，便可以很好地抑制振蕩。但隨著柵極電阻增大，開關(guān)速度下降，當(dāng)柵極電阻增加到75Ω時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖上升和下降時(shí)間都已經(jīng)在10μs以上，不能滿足快速性要求。根據(jù)仿真結(jié)果，柵極電阻為5Ω時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖已經(jīng)沒有振蕩，同時(shí)上升和下降時(shí)間短，因此選擇5Ω是合適的。

接下來，我們通過實(shí)驗(yàn)測定最佳的柵極電阻值。柵極電阻值為5Ω時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸出波形的變化如圖5所示。

可以看出，實(shí)際調(diào)試結(jié)果跟仿真結(jié)果基本一致，最終柵極電阻選擇5Ω。

3 驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)措施

電動(dòng)汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常見故障有過流，母線過壓、欠壓等，這些故障將嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的安全、高效運(yùn)行，因此有必要專門采取保護(hù)措施。

3．1 過流保護(hù)

圖 2 RG=0Ω

圖 3 RG=5Ω

圖 4 RG=75Ω

圖5 驅(qū)動(dòng)器輸出波形變化圖

當(dāng)IGBT流過的電流大于本身最大允許值時(shí)，會(huì)發(fā)生過熱甚至燒毀等嚴(yán)重故障，因此，過流保護(hù)電路的作用十分重要。我們利用M57962L內(nèi)部具有的過流短路保護(hù)功能，當(dāng)IGBT發(fā)生過流時(shí)，其集電極電壓升高，二極管D1截止，M57962L即可輸出故障信號(hào)。值得注意的是，IGBT正常工作時(shí)通態(tài)電壓一般為2．5～3．0V。而M57962L的過流檢測端的閾值電壓UCS設(shè)計(jì)為10V。如此高的閾值電壓使電流保護(hù)功能很難起效，因此必須采取措施降低過流保護(hù)閾值，方法是在如圖1腳檢測端串聯(lián)一穩(wěn)壓管Z1。在本項(xiàng)目研究中，設(shè)定的管壓保護(hù)值為1．8V，對(duì)應(yīng)的保護(hù)電流值為300A，所以采用的穩(wěn)壓管Z1壓降為VZ1＝U1－VCE－VD1＝7．5V。

過流時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出的脈沖也發(fā)生變化，此時(shí)，輸出波形在低電平基礎(chǔ)上出現(xiàn)周期性的細(xì)長尖波。其作用為，輸出低電平可使IGBT截止，而短暫的尖峰可嘗試性導(dǎo)通IGBT，若仍檢測到過流則恢復(fù)為低電平，一個(gè)周期后再嘗試導(dǎo)通，直至過流故障解除才恢復(fù)正常的驅(qū)動(dòng)功能。

3．2 過壓、欠壓保護(hù)

直流母線電壓也是影響IGBT工作狀態(tài)的主要因素。當(dāng)直流母線實(shí)際電壓高于電壓限值，易導(dǎo)致母線電容或IGBT擊穿；當(dāng)實(shí)際電壓低于電壓限值，易造成電機(jī)實(shí)際輸出功率降低，電流增大。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相應(yīng)的欠壓、過壓檢測電路。

圖6所示電路為直流母線的過壓、欠壓檢測部分，主要利用電壓比較器LM339通過電壓比較來實(shí)現(xiàn)過壓、欠壓檢測。圖中R1和R2分別為采樣電阻，Power和PGND端接待測直流母線，經(jīng)采樣電阻分壓后接入比較器。之后在比較器上將采樣值與欠壓閾值Vref－、過壓閾值Vref＋進(jìn)行比較，若U0小于欠壓閾值或大于過壓閾值，LM339將輸出低電平，使光偶內(nèi)二極管不導(dǎo)通，Out端輸出低電平。我們便可由此判定母線電壓是否在允許范圍內(nèi)。

圖6 欠壓、過壓保護(hù)電路

4 結(jié)語

本文提出一種基于M57962L的高性能驅(qū)動(dòng)電路，具備過流、過壓和欠壓保護(hù)功能，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全可靠；且通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，選擇了最優(yōu)柵極電阻，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能更加高性能地工作。

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