自动化学院毕业设计论文模板

1、毕业设计（论文）题 目 大功率IGBT驱动电路的设计与 研究专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气1 0 1 学 生 马志鹏 指导教师 陈桂涛 2014 年大功率IGBT驱动电路的设计与研究专业：电气工程及其自动化班级：电气101班作者：马志鹏指导教师： 陈桂涛 职称：讲师答辩日期：2014-06-21摘 要 IGBT将单极型和双极型器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快，应用很广。其驱动电路性能直接影响IGBT的功耗、安全性与可靠性等特性，在功率变换器内发挥相当重要的作用。本文首先介绍IGBT的

2、发展， IGBT的各种特性，其次介绍了IGBT驱动电路的各种保护功能，检测功能，以及栅极输入。然后又把该次设计过程详细的介绍，包括其原理图，电路板和仿真等。最后进行总结，总结了该次毕设在设计中出现的种种问题和解决方案。该次毕设达到了IGBT的驱动功能，且具备了各种保护功能。关键字: IGBT，驱动电路，HCPL-316J，栅极驱动，保护电路AbstractIGBT combines the advantages of unipolar and bipolar device to a more effective device, and has more superior characteris

3、tics with higher input impedance, faster speed, lower on voltage,higher off voltage and lager current withstand .So it is fastly developed and widely used.The driver circuit performance of it directly affects the IGBT power, security and reliability in power converters, and plays an important role i

4、n power inverter.This paper introduces the development and characteristics of IGBT firstly, and the the function of protecting function, and the grid input of IGBT driving circuit is introduced secondly. Then the design process is introduced in detail, including its principle of circuit and simulati

5、on, etc. Finally, summarizes the Picasso in design and welding problems and solutions.The proJect reaches IGBT drive function and has various protection function.KEY WORDS ：IGBT , Driving circuit,HCPL-316J，Gate drive, Protection circuit目 录摘要.IAbstract.II目录.III第一章 绪论.11.1课题的背景及研究意义.1 1.2 IGBT的特性.1 1.

6、2.1 IGBT的特点.1 1.2.2 IGBT的基本特性.21.3 IGBT驱动电路的发展及研究现状.31.4本次课题的主要研究内容.4第二章 多路输出单端反激式开关电源的设计4 2.1 开关电源的介绍.4 2.2 反激式开关电源的结构框图.5 2.3 反激式电源的设计.5 2.3.1技术指标.6 2.3.2参数设计.6 2.3.3变压器设计 6 2.3.4反馈电路的设计.8 2.3.5 UC3842 PWM芯片简介.9 2.3.6 PSPICE下的仿真.11第三章 IGBT驱动电路分析13 3.1 门极驱动电路条件.13 3.2 IGBT驱动电路几种形式.15 3.3 电气隔离的方式及其选

7、择.16 3.3.1 几种常见的电气隔离方式.16 3.3.2 光耦电路及其原理.18 3.4 本章小结.19第四章 IGBT驱动电路设计与仿真20 4.1 PSPICE软件的简单介绍.20 4.2 IGBT的选型.21 4.3光耦隔离驱动电路的设计21 4.4 PSPICE下的仿真结果与结论.22 4.4.1 仿真结果.22 4.4.2 结论.24 4.5 本章小结.24第五章 基于HCPL-316J的驱动设计.25 5.1 光耦合器HCPL-316J的介绍.25 5.2 基于光耦合器HCPL-316J的IGBT的驱动电路.27 5.3 整体电路原理图.30 5.4 电路的PCB图.31 5

8、.5 本章小结.31全文总结.32致谢.33参考文献.34 第一章 绪论1.1 课题的背景及研究意义近年来，新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识。与以前的各种电力电子器件相比，IGBT具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性；导通状态低损耗。IGBT在综合性能方面占有明显优势，广泛应用于工作频率为几十千赫兹，输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置。IGBT 的门极驱动条件密切地关系到他的静态和动态特性，门极电路的正偏压Ugs 、负偏压-Ugs 和门极电阻Rg 的大小对IGBT 的通态电压、开关、开关损耗、承受短路能力及dU/dt电流等参数有不同程度的影响。

9、其中门极正电压Ugs 的变化对IGBT 的开通特性、负载短路能力和dUgs/dt电流有较大的影响，而门极负偏压对关断特性的影响较大。同时门极电路设计中也必须注意开通特性、负载短路能力和由dUgs/dt电流引起的误触发等问题。驱动电路分为分立插脚式元件的驱动电路、光耦驱动电路、厚膜驱动电路、专用集成块驱动电路等。随着微处理技术的发展(包括处理器系统结构和存储器件)，数字信号处理器以其优越的性能在交流调速、运动控制领域得到了广泛的应用。一般数字信号处理器构成的控制系统，IGBT驱动信号由处理器集成的PWM 模块产生的。而PWM 接口驱动能力及其与IGBT 的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性

10、。HCPL-316J 内置丰富的IGBT 检测及保护功能，使驱动电路设计起来更加方便安全可靠。1.2 IGBT的特性1.2.1 IGBT的特点IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领

11、域。IGBT 的等效电路及符合如图1-1所示，IGBT 由栅极正负电压来控制。当加上正栅极电压时，管子导通；当加上负栅极电压时，管子关断。1 图1-1IGBT 具有和双极型电力晶体管类似的伏安特性，随着控制电压UGE的增加，特性曲线上移。开关电源中的IGBT通过UGE电平的变化，使其在饱和与截止两种状态交替工作。1.2.2 IGBT的基本特性1、静态特性IGBT的静态特性主要是指转移特性和输出特性，如图1-2所示，(a)为转移特性，(b)为输出特性。 图1-22、动态特性IGBT的开通过程与电力MOSFET的开通过程很相似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET来运行的。如图

12、1-3所示，从驱动电压UGE的前沿上升至其幅值的10的时刻，到集电极电流Ic上升至其幅值的10的时刻止，这段时间为开通延迟td(on)。而Ic从10IcM上升至90IcM所需的时间为电流上升时间tr。同样，开通时间tofl为开通延迟时间与电流上升时间之和。同时，开通时，集射电压UcE的下降过程分为tl和try2两段。前者为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降；后者为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。由于UcE下降时IGBT中MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此2段电压下降变缓。只有在t舵段结束时，IGBT才完全进

13、入饱和状态。IGBT开通过程中大部分时间是作为MOSFET来运行的。IGBT关断时，从驱动电压UGE的脉冲后沿下降到其幅值的90的时刻起，到集电极电流下降至90IcM止，这段时间为关断延迟时间td(off)；集电极电流从90IcM下降至10IcM这段时间为电流下降时间，二者之和为关断时间。电流下降时间可分为tfil和tfi2两段。其中tfil对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，此时间段内Ic下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，此时间段内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成Ic下降较慢。 图1-31.3 IGBT驱动电路的发展

14、及研究现状1.3.1 现有技术概述IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件的发射极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开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF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1-100nF,甚至更大,因而需要较大的动态驱动功率。更由于发射极到栅极的密勒电容Cdg,栅极驱动功率是不可忽视的。为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些

15、优秀的驱动集成电路，如IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般有两种途径：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是：A.反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。1.3.2 市场驱动器简介 1.4 本次课题的主要研究内容本次课题的研究主要是了解大功率IGBT驱动电路的国内外研究现状，动态和研究热点；了解 HCPL-316J的内部结构、工作原理以及应用场合；熟悉掌握大功率IGBT驱动电路的供电

16、、保护、驱动等设计方法；设计一个多路输出反激电源来产生稳定的直流电压给驱动电路供电，并且在了解光耦隔离驱动的基础上模拟IGBT的驱动电路，并且分析栅极电阻对IGBT驱动的影响。完成反激电源以及驱动电路的有关参数的计算，并使用PSPICE仿真平台，对所设计的电路进行仿真验证并绘制PCB。第二章 多路输出单端反激式开关电源设计2.1开关电源介绍1、开关电源的结构有多种:(1) 按驱动方式分，有自励式和他励式;(2) 按电路控制方式分，有脉宽调制式(PWM)式、脉冲频率调制式； (3) 按电路组成分，有谐振型和非谐振型;(4) 按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式

17、、光耦耦合式等;(5) 按变换器的工作方式分，有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等。2、反激电源的特点反激式电源:电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于小功率开关电源中;由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。正好满足本次设计的需求。3、反激式开关电源的工作原理 反激式开关电源的典型电路如图所示。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器T的初级绕组的感应电压上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器T初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电

18、容C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量;而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。开关电源中的脉冲变压器起着非常重要的作用:一是通过它实现电场一磁场一电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压;二是可以实现变压器功能，通过脉冲变汇器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量;三是可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。2.2反激式开关电源的结构框图输出整流滤波电路

19、高 频变 压 器功 率 变 换 电 路DC 取样器比较器脉宽调制 控制电路基准电压振荡器 2.3反激式电源的设计2.3.1 技术指标本次课题是针对驱动电路供电电源的需求，以220V市电为能源供应，经整流滤波、高频变压器、再经过输出整流滤波，得到所需要的三路电压，分别为+5v，-10v和+15v。本课题设计的电源主电路拓扑采用单端反激式变换器结构，采用UC3842作为PWM主控IC，以实现电压和电流的双闭环控制，从而提高负载调整率，电压调整率，电源开关频率设定在150kHz,同时输出3路相互隔离的电压。技术指标如下：1.输入:AC220V2.输出: +5v（1A），-10v(2A)，+15v(3

20、A)3.开关频率:80kHz4.效率:大于80%5.输出精度:最大5%7.最大占空比:40%2.3.2 参数设计1.总的输出功率Pout=70W;2.估算输入功率Pin=Pout/=89.74W;3.直流输入电压Vin=311V；4.平均输入电流Iin=Pin/Vin=0.29A；5.估算峰值电流Ipk=5.5Pout/Vin=1.24A；2.3.3 变压器设计2.3.3.1 变压器的作用高频变压器是开关电源的重要织成部件，它不仅是能量转换和传输的主要器件，而且能够实现输入与输出的电器隔离。其性能的好坏不仅影响变压器本身的效率和发热量，而且还会对开关电源的整体性能和可靠性产生极大的影响。因此，

21、全而分析设计变压器的材料、损耗、磁通密度、制造工艺就显得尤为重要。 当控制IC输出一个导通脉冲到MOSFET的栅极时，MOSFET饱和导通，变压器初级绕组中电流逐渐增加，而此时初级绕组产生的感应电压使输出回路的整流二极管截止，次级绕组中无电流，能量以磁能的形式存储在初级绕组中。当截止脉冲到来时，根据楞次定律，次级产生与之前方向相反的感应电压，使整流二极管立即导通，次级线圈产生的感应电压向输出滤波电容充电，即把能量从初级绕组传递到次级的输出电容中，并给负载供电。变压器周而复始的经历上述能量的存储转换过程，从而实现了能量的传输。2.3.3.2 变压器的参数设计（1）变压器磁芯的选择原则磁芯是制造高

22、频变压器的重要组成，设计时合理、正确地选择磁芯材料、参数、结构，对变压器的使用性能和可靠性，将产生至关重要的影响。因此，磁芯材料及参数的选取，便成为高频变压器设计程序的主要内容之一。开关电源高频变压器的磁芯的选择包括磁芯材料和磁芯结构两方面。要求磁芯材料具有高饱和磁感应强度，以最大限度地提高磁芯的工作磁感应强度，减小变压器体积。目前开关电源变压器的磁芯材料大多采用软磁铁氧体磁性材料，这是由于铁氧体磁性材料电阻率高、交流涡流损耗小、价格低、易加工成各种形状结构的磁芯。这也是在开关电源中普遍应用的主要原因。开关电源变压器磁芯有多种结构可供选择，其结构选择取决于变压器的工作体制、磁芯的材料、工作频率

23、、输出功率和绝缘耐压及使用环境等因索。（2）变压器相关参数的设计最大占空比的计算：总输出功率：Pout=5*1+15*3+10*2=70W； 总输入功率：Pin=Pout/=89.74W；整流滤波后最小输入电压：Uin（min）=UAc（min）*2Uh整流滤波后最大输入电压：Uin（max）=UAc（max）*2式中Uin（min），Uin（max）分别取22020 %，220+20 %；Uh为直流纹波及整流桥压降之和，取值40V，则有Uin（min）=208.86V，Uin（max）=373.3 V。最大占空比：D=VorVor+(Vinmin-Vds)式中Vor为当开关关断时由次级感应到

24、初级的电压值，一般为100V-130V，这里取110V，Vds为开关导通时的压降取值为10V，则可的Dmax=0.36。（3）磁芯的计算选择本设计采用AP法：式中，AP为磁芯窗口面积与磁芯有效面积的乘积（CM4）；PT为变压器视在功率（W）；BW工作磁通密度（T）；fW开关工作频率（HZ）；KO窗口使用面积，其值小于1；Kf波形系数，正弦波时取4.44，方波时取4；Kj电流密度比例系数，文中Kj433（允许温度为25）；X常数由所用磁芯决定，X-0.12变压器视在功率：PT =P0(1+1/)经计算AP=0.238CM4，查阅技术手册，磁芯的型号选取EE-28，其AP0.32*0.780.24

25、96CM4，与理论值0.238CM4接近，磁芯有效面积Ae=78mm2高频变压器初级绕组：式中BW0.25T；ton0.36/50*103，代入上式有Np78匝初级绕组和次级绕组匝数比当Uo15V时，有n20.100，NS2=0.1*78=7.8，这里取8匝当Uo-10V时，有n30.068，NS2=0.068*78=5.31，这里取5.5匝当Uo5V时，有n40.036，NS2=0.036*78=2.81，这里取3匝2.3.4 反馈电路的设计2.3.4.1 器件TL431 TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从2.5V-36V范

26、围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。TL431的特点:(1)最大输出电压为36V;(2)电压参考误差:+0.4%，典型值25oC(TL431B);(3)低动态输出阻抗，典型0.22;(4)负载电流能力1.0mA-100mA;(5)等效全范围温度系数50 ppm/典型;(6)温度补偿操作全额定工作温度范围；(7)低输出噪声电压。元器件的符号2.3.4.2 光耦PC816 PC816是常用的线性光耦，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响. 当输

27、入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电一光一电”的转换。普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信号)，不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传偷连续变化的模拟电压或电流信号。这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同，PC816光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。元器件符号2.3.4.3 反馈控制的原理考虑到控制器的安全性，一般都采用光耦隔离反馈电压。为了减小光耦合器的漂移，二次侧需要一个误差放大器，本设计采用TL431构成

28、误差放大器。TL431称为可调式精密并联稳压器，利用两只外部电阻可设定2.5V-36V范围内的任何基准电压值，其工作原理是当输出电压Uo发生波动时，经电阻分压后得到的取样电压就与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使发光二极管的工作电流产生相应变化，再通过光耦PC816去改变控制端电流Ic的大小，调节输出的占空比，使Uo不变，从而达到稳压目的。2.3.5. UC3842 PWM 芯片简介UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，是专为脱线式直流变换电路设计的，其内部结构如图所示。它集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输

29、入和基准欠电压锁定电路及PWM锁存器电路。该芯片主要有以下性能:(1)可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比;(2)最高开关频率可达500kHz;(3)带锁定的PWM可以实现逐个脉冲的电流限制;(4)具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定;(5)图腾柱输出电路能够提供大电流输出，输出电流可达1A，可直接对MOSFET进行驱动;(6)带滞环的欠压锁定电路可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡;(7)起动电流和工作电流低，启动电流小于lmA，正常工作电流为15m A ;(8)可直接与MOTO ROLA的SEN SEFET产品接口。UC3842的引脚图 UC3842的内部结构该芯片虽然只有

30、8个管脚，但是却有两个闭环控制回路，一个为内部误差放大器所构成的电压闭环控制回路，它将输出电压反馈到第2管脚，同2.5 V基准电压比较，形成误差电压。另一个为内部电流感应比较器所构成的电流闭环控制回路，变压器初级绕组中的电流在反馈电阻R上产生的压降，通过第3脚与误差电压进行比较，调节PWM波的占空比。这两个控制回路都是在固定频率下工作的。各个引脚的介绍：1脚为补偿端，该管脚为误差放大器的输出，外接RC网络对误差放大器的频率响应进行补偿。2脚为电压反馈端，取样电压加在误差放大器的反相输入端，与2.5V的基准电压进行比较，产生误差电压。3脚为电流检测输入脚，外接电流检测电阻，将流过初级绕组的电流实

31、时反馈到控制器，当3脚电压等于或高于1V时，电流检测比较器输出高电平，复位PWM锁存器，从而关闭输出脉冲，起到过流保护作用。4脚外接定时RC网络，用以确定振荡器的工作频率，其频率通过式f=1.72/（Rt*Ct）(kHz)确定。5脚是地，是控制电路和电源的公共地。6脚为输出端，采用图腾柱式输出，最大峰值电流为1A,能直接驱动功率MOSFET的栅极。7脚是直流电源供电端（取值10-34V），具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW。8脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。2.3.6 PSPICE下的仿真1.仿真原理图2.输出波形15V电压输出波形10V电压输出波形5V电压输出波形通过上面

32、三路输出的波形可以看出，输出的三路波形可以满足要求，虽然有小幅度的纹波，但是在允许的纹波范围内。满足实验的要求。第三章 IGBT驱动电路分析3.1门极驱动电路条件IGBT的门极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。门极电路的正偏压Ugs、负偏压-Ugs和门极电阻Rg的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dV/dt电流等参数有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如下表所示。门极正电压Ugs的变化对IGBT开通特性，负载短路能力和dVds/dt电流有较大的影响，而门极负偏压则对关断特性的影响较大。在门极驱动电路的设计中，必须注意开通特性，负载短路能力和由dVd

33、s/dt电流引起的误触发等问题。下表列出了门极驱动条件与器件特性的关系。特 性Vd（on）、负载短路 能 力电流dVds/dtUgs 增大降低 降低 降低 增加-Ugs 增大 略减小 减少Rg增大 增加 增加 减少一个理想的IGBT 驱动器应具有以下基本性能:（1）动态驱动能力强，能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。当IGBT 在硬开关方式下工作时，会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。这个过程越长，开关损耗越大。器件工作频率较高时，开关损耗甚至会大大超过IGBT 通态损耗，造成管芯温升较高。这种情况会大大限制IGBT 的开关频率和输出能力，同时对IGBT 的安全工作构成很大威胁

34、。IGBT 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。IGBT 的栅源特性呈非线性电容性质，因此，驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力，才能使IGBT 栅源电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗降至较低的水平。另一方面，驱动器内阻也不能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。同时，过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也容易在控制电路中造成干扰。（2）向IGBT提供适当的正向栅压。并且在IGBT导通后。栅极驱动电路提供给IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度，使IGBT的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功率要足以保证IGB

35、T不退出饱和区。IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关，在漏源电流一定的情况下，VGE越高，VDS就越低，器件的导通损耗就越小，这有利于充分发挥管子的工作能力。但是， VGE并非越高越好，一般不允许超过20 V，原因是一旦发生过流或短路，栅压越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。通常，综合考虑取+15 V为宜。（3）能向IGBT 提供足够的反向栅压。在IGBT 关断期间，由于电路中其它部分的工作，会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。这些信号轻则会使本该截止的IGBT 处于微通状态，增加管子的功耗，重则将使逆变电路处于短路直通状态。因此，最好给应处于截止状态的IGBT 加一反向栅压

36、(幅值一般为（515V) ，使IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。（4）有足够的输入输出电隔离能力。在许多设备中，IGBT 与工频电网有直接电联系，而控制电路一般不希望如此。另外许多电路(如桥式逆变器) 中的IGBT 的工作电位差别很大，也不允许控制电路与其直接耦合。因此，驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作，同时有利于维修调试人员的人身安全。但是，这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。所以驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离，一般采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离。（5）输入输出信号传输无延时。这一方面能够减少系统响应滞后，另一方面能提高保护的快速性。（6）IGBT驱动电路

37、应具有完整的保护功能，具有对IGBT的自保护功能。IGBT驱动电路具有电气隔离能力，IGBT 烧毁时，集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路，从而破坏其中的某些元件。利用其电气隔离能力使驱动电路中的其它元件不会随之损坏。（7）门极驱动电路应尽可能简单实用，并具有较大的抗干扰能力，且输出阻抗应尽可能的低。3.2 IGBT驱动电路几种形式驱动电路一般有以下几种形式。(1)分立元件驱动电路 由分立元件构成的插接式驱动电路，在20世纪80年代的由IGBT构成的设备上被广泛使用。分立元件驱动电路的设计和应用主要受当时电子元器件技术水平和生产工艺的制约，但随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的

38、出现，这类分立元件插接式驱动电路因结构复杂、集成化程度低、故障率高已逐渐被淘汰。 (2)光电耦合器驱动电路 由于光电耦合器构成的驱动电路具有线路简单、可靠性高、开关性能好等特点，在IGBT驱动电路设计中被广泛采用。由于驱动光电锅台器的型号很多，所以选用的余地也很大。用于IGBT的光电耦合器驱动电路的驱动光电耦合器选用较多的主要有东芝的TLP系列、夏普的比系列、惠普的HLPL系列等。以东芝TLP系列光电耦合器为例，驱动IGBT模块的光电耦合器主要采用的是TLP250和TLP251两个型号。对于小电流(15A左右)的模块，一般采用TLP251。外围再辅以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路

39、。而对于中等电流(50A左右)的模块，一般采用TLP250型号的光电耦合器。而对于更大电流的模块，在设计驱动电路时一般在光电耦合器驱动电路后面再增加一级放大电路，以达到安全驱动IGBT模块的目的。光电耦合器的优点是体积小巧，缺点是反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光电耦合器一般也大于500ns)。光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。 (3)厚膜驱动电路 厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将驱动电路的各元件集成在一块陶瓷基片上，使之成为一个整体部件。使用厚膜驱动电路给设计布线带来了很大的方便，可

40、提高整机的可靠性和批量生产的一致性，同时也加强了技术的保密性。现在的厚膜驱动电路集成了很多保护电路和检测电路。 (4)专用集成驱动电路目前已开发和应用的专用集成驱动电路主要有IR公司的识2111、IR2112、IR2113等，其他还有三菱公司的EXB系列厚膜驱动电路等。此外，现在的一些欧美厂商在IGBT驱动电路设计上采用了高频隔离变压器(如丹佛斯VLT系列变频电源)。通过高频变压器对驱动电路的电源及信号的隔离，增强了驱动电路的可靠性，同时也有效地防止了主电路出现故障时对控制电路的损坏。在实际应用中这种驱动电路的故障率很低，大功率模块也极少出现问题。3.3 电气隔离的方式及其选择3.3.1几种常

41、见的电气隔离方式（1）阻尼滤波门极驱动电路：为了消除可能的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。（2）光耦合器门极驱动电路：驱动电路的输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速IGBT的关断过程。（3）脉冲变压器直接驱动IGBT的电路：由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。3.3.2 光耦电路及其原理耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电耦合器，简称光耦，是开关电源电路中常用的器件。 耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类

42、最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要优点是：信号

43、单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器 (SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。 光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的

44、传输，不适合于传输模拟量。 常用的4N系列光耦属于非线性光耦 。 线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。 常用的线性光耦是PC817AC系列。 由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用场合： (1) 在逻辑电路上的应用 光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。 (2) 作为固体开关应用 在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。 (3) 在触发电路上的应用 将光电耦合器用于

45、双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。 (4) 在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。 (5) 在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。 (6) 特殊场合的应用 光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。 3.4 本章小结 本章主要是介绍了IGBT驱动的条件以及影响其驱动的可能因素，有助于在后边设计IGBT驱动的时候综合考虑这些因素。并且还就几种IGBT的驱动电路做了简要的说明，因为本次毕业设计主要是用到光耦，

46、因此还特意对光耦的工作原理做了简单的介绍。第四章 IGBT驱动电路设计与仿真本次毕业设计的任务是完成基于HCPL-316J的IGBT驱动电路的设计，并且用到PSPICE软件对其进行仿真验证。主要是为了了解栅极电阻对IGBT驱动的影响，并且完成对IGBT的保护设计。因为要用到PSPICE软件仿真，PSPICE软件中没有HCPL-316J的PSPICE模型，因此不能直接对其功能进行仿真，但是根据HCPL-316J的原理以及通过对光电耦合器等分立元件构成的IGBT驱动电路的理解，对电路进行等效的设计与仿真。4.1 PSPICE软件的简单介绍 Spice是一种能模拟电路各种特性的电路分析程序。Spic

47、e中的元器件模型精度都很高，能够取代很多个电子实验室设备的功能，比如示波器和面板等等。PSpice是Spice中可以应用在计算机上的一种软件，它主要包括元器件模型参数编辑器、电路原理图绘图编辑器、激励源波形编辑器、电路仿真程序、电路设计优化程序、波形输出程序六个部分，这些程序的协作关系如图所示： PSpice具有可分析的电路特性有六类，分别是:直流分析、交流小信号分析、瞬态分析、灵敏度分析、容差分析、温度特性分析。PSpice对电路的仿真准确性很高，其主要优点有:图形界面友好，易学易用，操作简单;实用性强，仿真效果好;功能强大，集成度高;具有丰富的器件模型。在实现硬件电路功能之前，可以先将电路

48、输入到PSpice软件中，PSpice可以帮助分析电路设计的是否合理，并在不同状态下对电路进行仿真，使得电路的性能达到最佳。4.2 IGBT的选型本次毕业设计主要是对大功率IGBT的驱动电路进行设计，因此在选型上并没有具体的要求，所以本次的设计选取了市场上质好低价APT25GF100BN型号的IGBT。 通过查IGBT的型号手册，可知：APT25GF100BN的极限电压是1000V，极限电流是25A，耗散功率是147W。4.3 光耦隔离驱动电路的设计电路的原理如下：如图所示的驱动电路为采用光电耦合器等分立元件构成的IGBT驱动电路。当输入控制信号PWM时，光电耦合器U2导通，+15V电压经过基

49、极电阻R3使得晶体管Q1导通，输出+15V驱动电压。当输入控制信号为零时，光电耦合器U2截止，-10V电压经过基极电阻R3后抽出基极电流使Q2导通，输出-10V的电压。保证所驱动的IGBT能够可靠的关断。设计的IGBT的驱动电路应该注意以下几点：（1）为了防止IGBT门极与发射极之间的电压幅值超过最大栅极-发射极电压UCE,保证IGBT有效、稳定地工作。IGBT门极与发射极并联了一组反向串联的稳压二极管。稳压二极管的参数 Uz=（2-3）*UGE,UGE为IGBT栅极-发射极电压.（2）在传动控制系统中,一般为感性负载。这种情况下,IGBT关断瞬间会使加在两端的电压产生很大变化,造成很大du/

50、dt,影响IGBT的可靠性。因此,在设计IGBT驱动电路时要外加栅极电阻,以限制关断时的du/dt。（3）驱动电路电源应该稳定，能提供足够高的正负栅压，应有足够高的功率，以满足栅极对驱动电路的要求。驱动电路的电源和控制电路的电源应该独立设置，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的电源。一般栅极驱动电压UGE取12-15V为宜，本次设计取得是15V。IGBT关断时，栅极加负偏压，以提高抗干扰能力和承受du/dt的能力。栅极负偏压一般为-10V。4.4 PSPICE下的仿真结果与结论4.4.1 仿真结果（1）当栅极电阻取200时，IGBT的开通及关断如图所示：通过仿真波形能

51、够观察得到，在栅极电阻取200时，IGBT的开通时间是Ton=53-50=3us；关断时间 Toff=34-30=4us。（2）当栅极电阻取150时，IGBT的开通及关断如图所示：通过仿真波形能够观察得到，在栅极电阻取150时，IGBT的开通时间是Ton=52-50=2us；关断时间 Toff=33.5-30=3.5us。（3）当栅极电阻取100时，IGBT的开通及关断如图所示：通过仿真波形能够观察得到，在栅极电阻取100时，IGBT的开通时间是Ton=51.5-50=1.5us；关断时间 Toff=33-30=3us。（4）当栅极电阻取50时，IGBT的开通及关断如图所示；通过仿真波形能够观察得到，在栅极