基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计毕设论文

辽宁工业大学课程设计说明书（论文）PAGE辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化124班学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2014.12.29-2015.01.09本科生课程设计（论文）PAGEIII课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化学号学生姓名专业班级自动化124课程设计（论文）题目基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计课程设计（论文）任务课题完成的功能：本课程设计利用集成驱动电路实现绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动电路设计。设计任务及要求：（1）根据给出的绝缘栅双极晶体管IGBT的额定数据，利用集成驱动电路（如EXB841、M57962L等）实现IGBT的外围驱动电路设计。（2）要求为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压。（3）驱动电路要具有隔离输入、输出信号的功能。（4）要求控制好的前后沿陡度，控制好IGBT的开关损耗。（5）具有过电压保护和du/dt保护能力。（6）具有完善的短路保护能力。（7）撰写课程设计说明书（论文）。技术参数：绝缘栅双极晶体管IGBT的额定电压1200V，额定电流400A，最大开关频率20kHz，驱动电压+15V，关断电压-5V。进度计划（1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（2天）（2）对系统各组成部件进行功能分析（3天）（3）系统电气电路设计及调试设计（3天）（4）撰写、打印设计说明书及答辩（2天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要介绍了绝缘栅双极型晶体管IGBT（InsulatedCateBipolarTransistor）器件驱动电路设计的一般要求，对EXB841芯片的工作过程作了深入的分析，研究了EXB841对IGBT的开通和关断以及过流保护的原理，指出了用EXB841直接驱动IGBT时存在的问题和不足，主要是过流保护的阀值太高，关断不可靠及在软关断时没有对外部输入信号进行封锁。同时，提出了针对这些不足在设计驱动电路时应当采取的几种有效方法。最后，运用EXB841及其他器件设计和优化了一个IGBT的驱动电路，该驱动电路通试验证明能够有效地对IGBT器件进行驱动和过电流保护。关键词：绝缘栅双极型晶体管；EXB841；驱动电路目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论 1第2章课程设计的方案 32.1概述 32.2系统组成总体结构 3第3章IGBT驱动电路设计 43.1IGBT驱动电路设计要求 53.2EXB841的控制原理 53.3EXB841存在的不足与改进 7第4章基于EXB841驱动电路设计、优化 94.1IGBT驱动电路及故障信号封锁电路设计 94.2IGBT驱动电路优化 11第5章课程设计总结 13参考文献 14PAGE14绪论80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。经过20多年的发展，IGBT表现出了很强的生命力，其开关性能经历五代改进也日臻完善。同时，IGBT的容量等级也在快速提升，单管电压已6500V，无均流并联电流已3300A，已成为基本上取代了GTR，并在很多应用领域挑战GTO的电力半导体开关器件。驱动电路的结构和参数会对IGBT的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗du/dt的能力等。因此，根据IGBT的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥IGBT的性能是十分重要的。功率器件的不断发展使其驱动电路也在不断地发展，相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT的触发和关断要求给栅极和发射极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下因素进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性的要求等。IGBT的驱动电路是IGBT与控制电路之间的接口，它对IGBT的正常运行具有非常重要的影响。采用一套性能良好的驱动电路可缩短开关时间，减小开关损耗，使IGBT工作在较理想的开关状态下，同时对电源的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，一套性能良好的驱动电路由于本身具有多种保护措施，可以防止运行中的一些意外冲击而损坏IGBT。因此驱动电路的选择和设计显得尤为重要。IGBT作为功率电源的主要电力电子器件，其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的可靠性。只有设计合理的IGBT驱动电路，才能保证IGBT的可靠运行。课程设计的方案概述本次设计主要是综合应用所学知识，运用EXB841及其他器件设计和优化了一个IGBT的驱动电路。能够较全面地巩固和应用“电力电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握利用IGBT设计的基本方法。应用场合:随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模块化发展,绝缘栅双极晶体管(IGBT)已广泛应用于开关电源、变频器、电机控制以及要求快速、低损耗的领域中。IGBT是复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有MOSFET和GTR的优点:输人阻抗高,驱动功率小,通态压降小,工作频率高和动态响应快。目前,市场上500—3000V，800—1300A的IGBT，因其耐高压、功率大的特性，已成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件。系统组成总体结构驱动电路主电路保护电路主电路保护电路电压信号图2.1系统结构图EXB841存在过流保护无自锁功能等问题，再结合这些问题设计了驱动电路并对其进行了优化。设计一个保护电路对IGBT进行有效的驱动、控制和过电流保护。使其正常工作，保护电路中的器件不被损坏。IGBT驱动电路设计绝缘栅双极型晶体管IGBT（InsulatedCateBipolarTransistor）是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用。但是IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及duce/dt等参数，决定了IGBT的静态与动态特性。因此，在使用IGBT时IGBT的等效电路如图3.1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几伏的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。图图3.1(a)为IGBT等效电路图(b)为IGBT电气符号IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降温等使用。IGBT驱动电路设计要求(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。否则IGBT会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。(2）.能向IGBT提供适当的正向和反向栅压。一般取+15V左右的正向栅压比较恰当，取-5V的反向栅压让IGBT能可靠截止。(3).具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为±20V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。(4).当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择合适的栅极电阻Rg和Rge以及要有足够的输入输出电隔离能力，要能够保证输入输出信号无延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。EXB841是300A/1200V快速型IGBT驱动专用模块，整个电路延迟时间不超过1μs，最高工作频率达40一50kHz，它只需外部提供一个+20V单电源，内部产生一个一5V反偏压，模块采用高速光耦合隔离，射极输出。有短路保护和慢速关断功能.EXB841主要由放大、过流保护、5V基准电压和输出等部分组成。其中放大部分由TLP550,V2,V4,V5和R1,C1,R2,R9组成，TLP550待改进。起信号输人和隔离作用，V2是中间级，V4和V5组成推挽输出;短路过流保护部分由V1,V3,V6,VZ1和C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等组成，实现过流检测和延时保护功能。EXB841的6脚通过快速恢复二极管接至IGBT的C极，检测IGBT的集射之间的通态电压降的高低来判断IGBT的过流情况加以保护;5V电压基准部分由R10,VZ2,C5组成，为IGBT驱动提供一5V反偏压。日本FUJI公司的EXB841芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。EXB841的控制原理EXB841工作原理如图3.2所示（图中V1G即为IGBT管，下图同；V1S为光耦IS01）。图3.2EXB841的工作原理图(1).正常开通过程当EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，光耦IS01导通，A点电位迅速下降至0V，V1和V2截止；V2截止使D点电位上升至20V，V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻Rg向IGBT提供电流使之迅速导通。(2).正常关断过程控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光耦IS01不通，A点电位上升使V1和V2导通；V2导通使V4截止、V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB841的脚3电位迅速下降至0V（相对EXB841脚1低5V），使IGBT可靠关断。(3).保护动作IGBT已正常导通，则V1和V2截止，V4导通，V5截止，B点和C点电位稳定在8V左右，VZ1不被击穿，V3截止，E点电位保持为20V，二极管VD6截止。若此时发生短路，IGBT承受大电流而退饱和，uce上升很多，二极管VD7截止，则EXB841的脚6“悬空”，B点和C点电位开始由8V上升；当上升至13V时，Vz1被击穿，V3导通，C4通过R7和V3放电，E点电位逐步下降，二极管VD6导通时D点电位也逐步下降，使EXB841的脚3电位也逐步下降，缓慢关断IGBT。B点和C点电位由8V上升到13V的时间可用下式求得：13=20（1-式3-1中t=1.3μs；τ1为R3和C2的充电时间常数,τ1=R3C2。（3-2）C3与R7组成的放电时间常数为τ2=C3R7=4.84（μs）（3-3）E点由20V下降到3.6V的时间由下式求得：3.6=20e-tτ2，t=8.3μs此时慢关断过程结束，IGBT栅极上所受偏压为0V，这种状态一直持续到控制信号使光耦ISO1截止，IGBT栅极所受偏压由慢关断时的0V迅速下降到-5V，IGBT完全关断。V1导通C2迅速放电，V3截止，20V电源通过R9对C4充电，RC充电时间常数为τ3=C4R9=4.84(μs)，则E点由3.6V充至19V的时间可用下式求得：19=201-则E点恢复到正常状态需135μs，至此EXB841恢复到正常状态，可以进行正常的驱动。EXB841存在的不足与改进(1).EXB841存在的不足①.过流保护阀值太高。由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过流的主要依据是6脚电压。6脚电压U6不仅和Uce有关，还和二极管V7的导通电压Ud及Ue有关，V7在0.5～0.6V时即可开通，故过流保护阈值Uceo=U-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V（3-6）通常IGBT在通过额定电流时导通压降Uce为3.5V，当Uce=Uceo=7.5V时。IGBT已严重过流，对应电流约为额定电流的2～3倍，因此，应降低Uceo。②.存在保护盲区。一般大功率IGBT的导通时间ton在1us左右。实际上，IGBT导通时尾部电压下降是较慢的，实验表明，当工作电压较高时，Uce下降至饱合导通压降约需4～5s，而过流检测的延迟时间约为2.7s。因此，在IGBT开通过程中，若过流保护动作阈值太高，会出现虚假过流。为了识别真假过流，5脚的过流故障输出信号应延时5us，以便外部保护电路对真正的过流进行保护，在EXB841完成内部软关断后再封锁外加PWM信号。③.软关断保护不可靠。过流保护后，在10μs内驱动信号缓降至零。因为存在盲区时间。同时还有较长的软关断时间，这就导致不可靠，使保护效果变差。④.负偏压不足。EXB841为了防止较高dv/dt引起IGBT误动作设置了负栅压，实际负栅压值一般不到-5V。在大功率臭氧电源等具有较大电磁干扰的全桥逆变应用中，电磁干扰使负栅压信号中存在随工作电流增大而增大的干扰尖锋脉冲，其值可超过6V，甚至达到8-9V，能导致截止的IGBT误导通，造成桥臂直通。⑤.过电流保护无自锁功能。在出现过流时，EXB841将正常的驱动信号变成一系列降幅脉冲实现IGBT的软关断，并在5脚输出故障指示信号，但不能封锁输入的PWM控制信号。因5脚输出信号无锁存功能，须在发生真正的过流时，用触发器锁定故障输出信号，用外部电路实现对系统的保护和停机。(2).改进措施针对以上不足，可以考虑采取一些有效的措施，从而解决以上问题。以下结合设计的具体电路进行说明。基于EXB841驱动电路设计、优化本文基于EXB841设计IGBT的驱动电路如图4.2所示，图中上半部分是利用EXB841构成的IGBT的驱动电路，下半部分是由NE555定时器构成的以实现对IGBT过流时封锁故障信号的电路。IGBT驱动电路及故障信号封锁电路设计驱动电路中Vz5起保护作用。避免EXB841的6脚承受过电压，通过VD1检测是否过电流，接VZ3的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点，以降低过高的保护阙值从而解决过流保护阀值太高的问题。R1和C1及VZ4接在+20V电源上保证稳定的电压。VZ1和VZ2避免栅极和射极出现过电压，Rge是防止IGBT误导通。针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图4.2所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VD1换为导通压降大一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻,4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V可以采用-8V的负偏压（当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制）。图4.2下半部分所示为故障信号的封锁电路。当IGBT正常工作时EXB841的5脚是高电平，此时光耦6N137截止，其6脚为高电平，从而V1导通，于是电容C6不充电，NE555P的3脚输出为高电平，输入信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT。当EXB841检测到过电流时EXB841的5脚变为低电平，于是光耦导通使V1截止+5V电压经R4和R5对C6，充电R4和R5的总阻值为90kΩ，C6为100pF，经过5μs后NE555P的3脚输出为低电平，通过与门将输入信号封锁。因为EXB841从检测到IGBT过电流到对其软关断结束要10μs此电路延迟5μs工作是因为EXB841检测到过电流到EXB841的5脚信号为低电平需要5μs这样经过NE555P定时器延迟5μs使IGBT软关断后再停止输入信号，避免立即停止输入信号造成硬关断。同时，在EXB841检测到过流时进行软关断的过程中为了防止外部输入信号撤除从而直接使IGBT硬关断，可从V1的集电极引出一高电平对输入信号进行封图4.2IGBT驱动电路锁，从而保证软关断的顺利进行。该电路解决了EXB841存在的过电流保护无自锁功能这一问题。经过试验发现该电路在正常工作时，可以通过EXB841的3脚发出+15V和-5V电压信号驱动IGBT开通和关断，当IGBT发生过流时该电路能可靠地进行软关断。IGBT驱动电路优化（1）过流保护

①过电流损坏原因IGBT内部有寄生晶闸管，在规定漏极电流范围内，其产生的正偏压不足以使晶体管导通，当漏极电流大到一定程度，正偏压足以使晶体管导通，近而使寄生晶闸管开通，栅极失去控制，发生擎柱效应。此时关断无效，集电极电流很大致使IGBT损坏。当电流还未达到擎柱效应所需电流大小时，如果IGBT运行指标超过SOA所限定的电流安全边界，也就工作在了过流状态下，长时间过流运行造成很高的功耗，损坏器件。当最严重的过流情况，短路发生时，电流很快达到额定电流的4-5倍，此时必须尽快关断器件，否则器件将很快损坏。②过电流的处理根据IGBT的静态特性，当发生过流时，VCE会随电流急剧变大，可以通过检测VCE的大小来判断是否过流。当检测到过流发生时，首先采取降栅压措施，从图4.2的静态特性曲线可知，栅压降低以后，电流显著减小。这样一方面可以保护器件，另一方面如果确定是短路需要关闭器件时，不用在相当大电流的基础上执行关断，反而引入di/dt的问题。当降栅压运行一段时间后（一般是10

），如果电流恢复正常，可以再加上正常的栅压。这样可以有效避免假过流造成的误保护。但如果电流仍然处于过流的状态，可以判断是短路故障，应该马上对IGBT进行关断。此时绝对不能快速关断，因为短路时电流非常大，直接关断会在线路寄生电感上产生很大的电压，进而损坏器件。此时应该保证电流变化率不会过大，让栅极电压缓慢降低关断器件。图图4.2IGBT特性曲线（2）栅极过压的保护①栅极过压原因IGBT大多是工作于感性负载状态，当其处于关断状态，而反并二极管正在反向恢复过程时，就会有很大的dv/dt加

于CE两端。由于密勒电容的存在，该dv/dt将在电容上产生瞬间电流，流向栅极驱动电路。该电流与Rg作用，如果Rg值偏大，使Vge超过IGBT开通门限电压值，器件就会被误触发导通。

②栅极过压的处理在栅射间并接入一个栅射电阻可以解决这个问题。另外，为了防止栅极驱动电路出现高压尖峰，我们在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值与正栅压和负栅压相同。这样可以保证栅射电压的稳定，并且能有效地将密勒电容产生的电流通过栅射电阻释放，达到栅极过压保护的目的IGBT应用时还需注意在关断时在源射极间会有较大的电压，此时主回路采用软关断技术，并且在IGBT的源射极间加阻容或其他的吸收缓冲电路。同时在关断IGBT的时候du/dt较大，会导致IGBT发生擎住效应，因此在关断的时候要增大栅极电阻RG这样可以延长关断时间，以减小过电压。电路改进部分如图4.3所示，在IGBT开通时EXB841的3脚提供+15V电压，此时，两个电阻并联使Rg值较小，IGBT关断的时候，EXB841提供-5V电压，此时二极管截止，Rg=Rg2，此时Rg值较大，可以增大关断时间，减小过电压。当然Rg阻值的增加会加大IGBT的开关损耗，因此要合理选择Rg1和Rg2的阻值。图4.3驱动电路优化部分课程设计总结本文在对IGBT器件的驱动要求进行深入的分析之后，详细地研究了EXB841的工作原理,，并且指出了存在的诸如过流保护无自锁功能等一系列问题，再结合这些问题设计了驱动电路并对其进行了优化。经实际电路试验证明，所设计的电路完全可以对IGBT进行有效的驱动、控制和过电流保护。经过十多天的电力电子课程设计让我懂得了很多，也得到了很多的收获，受益匪浅。不仅仅是在知识方面得到了提升，在交流方面也有了进一步提高。刚刚看到这个课程设计任务书时，对这些课程很熟悉却无从入手，课本上都有提到，但有些不打全面。考虑很久，才确定了课程设计，那就是“基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计”这个课题时，在复习这章节的同时，也去了图书馆找了很多资料。经过几天的努力，终于有了一个电路图的基本框架，只带了一个完整的电路应该包含几部分，各部分之间的连接又应该注意什么问题等等。知道了大概的模块之后，我认真地设计每个模块，在设计过程中发现问题后，可以再加一完善。实在不懂的问题，可以和团队交流，再者上网查资料。也正因此，我对IGBT驱动电路有了更深的认识和了解，同时，也加强了自己的文件检索能力，特别是如