几种用于IGBT驱动的集成芯片之欧阳化创编.docx

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几种用于IGBT驱动的集成芯片之欧阳化创编

几种用于IGBT驱动的集成芯片

时间：

2021.02.06

创作：

欧阳化

2.1TLP250（TOSHIBA公司生产）

   在一般较低性能的三相电压源逆变器中，各种与电流相关的性能控制，通过检测直流母线上流入逆变桥的直流电流即可，如变频器中的自动转矩补偿、转差率补偿等。

同时，这一检测结果也可以用来完成对逆变单元中IGBT实现过流保护等功能。

因此在这种逆变器中，对IGBT驱动电路的要求相对比较简单，成本也比较低。

这种类型的驱动芯片主要有东芝公司生产的TLP250，夏普公司生产的PC923等等。

这里主要针对TLP250做一介绍。

   TLP250包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构。

适合于IGBT或电力MOSFET栅极驱动电路。

图2为TLP250的内部结构简图，表1给出了其工作时的真值表。

    TLP250的典型特征如下：

   1）输入阈值电流（IF）：

5mA（最大）；

   2）电源电流（ICC）：

11mA（最大）；

   3）电源电压（VCC）：

10～35V；

   4）输出电流（IO）：

±0.5A（最小）；

   5）开关时间（tPLH/tPHL）：

0.5μs（最大）；

   6）隔离电压：

2500Vpms（最小）。

   表2给出了TLP250的开关特性，表3给出了TLP250的推荐工作条件。

   注：

使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引线长度不应超过1cm。

   图3和图4给出了TLP250的两种典型的应用电路。

   在图4中，TR1和TR2的选取与用于IGBT驱动的栅极电阻有直接的关系，例如，电源电压为24V时，TR1和TR2的Icmax≥24/Rg。

   图5给出了TLP250驱动IGBT时，1200V/200A的IGBT上电流的实验波形（50A/10μs）。

可以看出，由于TLP250不具备过流保护功能，当IGBT过流时，通过控制信号关断IGBT，IGBT中电流的下降很陡，且有一个反向的冲击。

这将会产生很大的di/dt和开关损耗，而且对控制电路的过流保护功能要求很高。

   TLP250使用特点：

   1）TLP250输出电流较小，对较大功率IGBT实施驱动时，需要外加功率放大电路。

   2）由于流过IGBT的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过IGBT的电流，这就有可能对于IGBT的使用效率产生一定的影响，比如IGBT在安全工作区时，有时出现的提前保护等。

   3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到IGBT可靠关断应在10μs以内完成。

4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对IGBT的栅极施加一负电压，使IGBT硬关断。

这种主电路的dv/dt比正常开关状态下大了许多，造成了施加于IGBT两端的电压升高很多，有时就可能造成IGBT的击穿。

2.2EXB8..Series（FUJIELECTRIC公司生产）

   随着有些电气设备对三相逆变器输出性能要求的提高及逆变器本身的原因，在现有的许多逆变器中，把逆变单元IGBT的驱动与保护和主电路电流的检测分别由不同的电路来完成。

这种驱动方式既提高了逆变器的性能，又提高了IGBT的工作效率，使IGBT更好地在安全工作区工作。

这类芯片有富士公司的EXB8..Series、夏普公司的PC929等。

在这里，我们主要针对EXB8..Series做一介绍。

   EXB8..Series集成芯片是一种专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。

广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加热和电焊设备等工业领域。

具有以下的特点：

   1）不同的系列（标准系列可用于达到10kHz开关频率工作的IGBT，高速系列可用于达到40kHz开关频率工作的IGBT）。

   2）内置的光耦可隔离高达2500V/min的电压。

   3）单电源的供电电压使其应用起来更为方便。

   4）内置的过流保护功能使得IGBT能够更加安全地工作。

   5）具有过流检测输出信号。

   6）单列直插式封装使得其具有高密度的安装方式。

   常用的EXB8..Series主要有：

标准系列的EXB850和EXB851，高速系列的EXB840和EXB841。

其主要应用场合如表4所示。

注：

1）标准系列：

驱动电路中的信号延迟≤4μs

     2）高速系列：

驱动电路中的信号延迟≤1.5μs

   图6给出了EXB8..Series的功能方框图。

   表5给出了EXB8..Series的电气特性。

   表6给出了EXB8..Series工作时的推荐工作条件。

表6EXB8..Series工作时的推荐工作条件

   图7给出了EXB8..Series的典型应用电路。

   EXB8..Series使用不同的型号，可以达到驱动电流高达400A，电压高达1200V的各种型号的IGBT。

由于驱动电路的信号延迟时间分为两种：

标准型（EXB850、EXB851）≤4μs，高速型（EXB840、EXB841）≤1μs，所以标准型的IC适用于频率高达10kHz的开关操作，而高速型的IC适用于频率高达40kHz的开关操作。

在应用电路的设计中，应注意以下几个方面的问题：

   ——IGBT栅射极驱动电路接线必须小于1m；

   ——IGBT栅射极驱动电路接线应为双绞线；

   ——如想在IGB集电极产生大的电压尖脉冲，那么增加IGBT栅极串联电阻（Rg）即可；

   ——应用电路中的电容C1和C2取值相同，对于EXB850和EXB840来说，取值为33μF，对于EXB851和EXB841来说，取值为47μF。

该电容用来吸收由电源接线阻抗而引起的供电电压变化。

它不是电源滤波器电容。

   EXB8..Series的使用特点：

   1）EXB8..Series的驱动芯片是通过检测IGBT在导通过程中的饱和压降Uce来实施对IGBT的过电流保护的。

对于IGBT的过电流处理完全由驱动芯片自身完成，对于电机驱动用的三相逆变器实现无跳闸控制有较大的帮助。

   2）EXB8..Series的驱动芯片对IGBT过电流保护的处理采用了软关断方式，因此主电路的dv/dt比硬关断时小了许多，这对IGBT的使用较为有利，是值得重视的一个优点。

   3）EXB8..Series驱动芯片内集成了功率放大电路，这在一定程度上提高了驱动电路的抗干扰能力。

   4）EXB8..Series的驱动芯片最大只能驱动1200V/300A的IGBT，并且它本身并不提倡外加功率放大电路，另外，从图7中可以看出，该类芯片为单电源供电，IGBT的关断负电压信号是由芯片内部产生的－5V信号，容易受到外部的干扰。

因此对于300A以上的IGBT或者IGBT并联时，就需要考虑别的驱动芯片，比如三菱公司的M57962L等。

   图8给出了EXB841驱动IGBT时，过电流情况下的实验波形。

可以看出，正如前面介绍过的，由于EXB8..Series芯片内部具备过流保护功能，当IGBT过流时，采用了软关断方式关断IGBT，所以IGBT中电流是一个较缓的斜坡下降，这样一来，IGBT关断时的di/dt明显减少，这在一定程度上减小了对控制电路的过流保护性能的要求。

2.3M579..Series（MITSUBISHI公司生产）

   M579..Series是日本三菱公司为IGBT驱动提供的一种IC系列，表7给出了这种系列的几种芯片的基本应用特性（其中有＊者为芯片内部含有Booster电路）。

   在M579..Series中，以M57962L为例做出一般的解释。

随着逆变器功率的增大和结构的复杂，驱动信号的抗干扰能力显得尤为重要，比较有效的办法就是提高驱动信号关断IGBT时的负电压，M57962L的负电源是外加的（这点和EXB8..Series不同），所以实现起来比较方便。

它的功能框图和图6所示的EXB8..Series功能框图极为类似，在此不再赘述。

图9给出了M57962L在驱动大功率IGBT模块时的典型电路图。

在这种电路中，NPN和PNP构成的电压提升电路选用快速晶体管（tf≤200ns），并且要有足够的电流增益以承载需要的电流。

   在使用M57962L驱动大功率IGBT模块时，应注意以下三个方面的问题：

   1）驱动芯片的最大输出电流峰值受栅极电阻Rg的最小值限制，例如，对于M57962L来说，Rg的允许值在5Ω左右，这个值对于大功率的IGBT来说高了一些，且当Rg较高时，会引起IGBT的开关上升时间td（on）、下降时间td（off）以及开关损耗的增大，在较高开关频率（5kHz以上）应用时，这些附加损耗是不可接受的。

   2）即便是这些附加损耗和较慢的开关时间可以被接受，驱动电路的功耗也必须考虑，当开关频率高到一定程度时（高于14kHz），会引起驱动芯片过热。

   3）驱动电路缓慢的关断会使大功率IGBT模块的开关效率降低，这是因为大功率IGBT模块的栅极寄生电容相对比较大，而驱动电路的输出阻抗不够低。

还有，驱动电路缓慢的关断还会使大功率IGBT模块需要较大的吸收电容。

   以上这三种限制可能会产生严重的后果，但通过附加的Booster电路都可以加以克服，如图9所示。

从图10（a）可以看出，在IGBT过流信号输出以后，门极电压会以一个缓慢的斜率下降。

图10（b）及图10（c）给出了IGBT短路时的软关断过程（集电极－发射极之间的电压uCE和集电极电流iC的软关断波形）

0引言

　　随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模块化发展，绝缘栅双极品体管（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：

输入阻抗高，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～l800A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。

1驱动保护电路的原则

　　由于是电压控制型器件，因此只要控制ICBT的栅极电压就可以使其开通或关断，并且开通时维持比较低的通态压降。

研究表明，IGBT的安全工作区和开关特性随驱动电路的改变而变化。

因此，为了保证IGBT可靠工作，驱动保护电路至关重要。

　　IGBT驱动保护电路的原则如下。

（1）动态驱动能力强，能为栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；

（2）开通时能提供合适的正向栅极电压（12~15V），关断时可以提供足够的反向关断栅极电压（一5V）；

　　（3）尽可能少的输入输出延迟时间，以提高工作效率；

　　（4）足够高的输入输出电气隔离特性，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；

　　（5）出现短路、过流的情况下，具有灵敏的保护能力。

　　目前，在实际应用中，普遍使用驱动与保护功能合为一体的IGBT专用的驱动模块。

2集成驱动模块

　　为了解决IGBT的可靠驱动问题，世界上各厂家丌发出了众多的IGBT集成驱动模块。

如日本富士公司的EXB系列，三菱电机公司的M57系列，三社电机公司的GH系列，美国国际整流器公司的TR系列，Unitrode公司的UC37系列以及国产的HL系列。

以下是几种典型的集成驱动模块。

2.1EXB841模块的分析

　　EX841高速驱动模块为15脚单列直插式结构，采用高隔离电压光耦合器作为信号隔离，内部结构图如图l所示，其工作频率可达40kHz，可以驱动400M600V以内及300A/l200V的IGBT管，其隔离电压可达2500AC/min，工作电源为独立电源20±1V，内部含有一5V稳压电路，为ICBT的栅极提供+15V的驱动电压，关断时提供一5V的偏置电压，使其可靠关断。

当脚15和脚14有10mA电流通过时，脚3输出高电平而使IGBT在1μs内导通；而当脚15和脚14无电流通过时，脚3输出低电平使IGBT关断；若ICBT导通时因承受短路电流而退出饱和，Vce迅速上升，脚6悬空，脚3电位在短路后约3．5μs后才开始软降。

　　EXB841典型应用图如图2所示，电容C1、C2用于吸收高频噪音。

当脚3输出脉冲的同时，通过快速二极管D1检测IGBT的C—E间的电压。

当Vce>7V时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信号，在10μs内将脚3输出电平降为O。

因EXB841无过流自锁功能，所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦TLP521将过流保护信号输出，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然后由触发器锁定，实现保护。

　　缺点：

EXB84l过流保护阀值过高，Vce>7V时动作，此时已远大于饱和压降；存在保护肓区；在实现止常关断时仅能提供一5V偏压，在开关频率较高、负载过大时，关断就显得不可靠；无过流保护自锁功能，在短路保护时其栅压的软关断过程被输入的关断信号所打断。

2．2M57962L模块的分析

　　M57962AL是一种14脚单列直捕式结构的厚膜驱动模块，其内部结构图如图3所示。

它由光耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及门关断电路组成，驱动功率大，町以驱动600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模块。

　　M5796AL具有高速的输入输出隔离，绝缘电压也可达到AC2500V/min；输入电平与TTL电平兼容，适于单片机控制；内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性；采用双电源供电方式，相对于EXB84l来说，虽然多使用一个电源．但IGBT可以更可靠地通断。

　　典型应用图如图4所示。

当驱动信号通过脚14和脚13时，经过高速光耦隔离，由M57962AL内置接口电路传输至功率放大极，在M57962AL的脚5产生+15V开栅和一10V关栅电压，驱动IGBT通断。

当脚1检测到电压为7V时，模块认定电路短路，立即通过光耦输出关断信号，使脚5输出低电平，从而将IGBT的G—E两端置于负向偏置，可靠关断。

同时，输出误差信号使故障输出端（脚8）为低电平，从而驱动外接的保护电路工作。

延时2～3s后，若检测到脚13为高电平，则M57962AL恢复工作。

稳压管DZ1用于防止D1击穿而损坏M57962AL，Rg为限流电阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以确保可靠通断。

　　比较：

与EXB841相比，M57962AL需要双电源（+15V，一1OV）供电，外周电路复杂。

而正是因为M57962AL可输出一10V的偏压，使得IGBT可靠地关断；另外，M57962AL具有过流保护自动闭锁功能，并且软关断时间可外部调节，而EXB84l的软关断时间无法调节。

所以M57962AL较EXB841更安全、可靠。

2.3HL402模块的分析

　　HL402是17脚单列直插式结构，内置有静电屏蔽层的高速光耦合器实现信号隔离，抗干扰能力强，响应速度快，隔离电压高。

它具有对IGBT进行降栅压、软关断双重保护功能，在软关断及降栅压的同时能输出报警信号，实现封锁脉冲或分断主回路的保护。

它输出驱动电压幅值高，正向驱动电压可达15～17V，负向偏置电压可达10～12V，因而可用来直接驱动容量为400A/600V及300A/1200V以下的IGBT。

　　HL402结构图如图5所示。

图5中，VL1为带静电屏蔽的光耦合器，它用来实现与输入信号的隔离。

由于它具有静电屏蔽，因而显著提高了HL402抗共模干扰的能力。

图5中U1为脉冲放大器，S1、S2实现驱动脉冲功率放大，U2为降栅压比较器，正常情况下由于脚9输入的IGBT集电极电压VCE不高于U2的基准电压VREF，U2不翻转，S3不导通，故从脚17和脚16输入的驱动脉冲信号经S2整形后不被封锁。

该驱动脉冲经S2、S2放大后提供给IGBT使其导通或关断，一旦IGBT退饱和，则脚9输入集电极电压给IGBT使其导通或关断，并且脚9输入的集电极电压采样信号VCE高于U2的基准电压VREF，比较器U2翻转输出高电平，使S3导通，由稳压管DZ2将驱动器输出的栅极电压VGE降低到10V。

此时，软关断定时器U3在降栅压比较器U2翻转达到设定的时间后，输出正电压使S4导通，将栅极电压软关断降到IGBT的栅射极门限电压，给IGBT提供一个负的驱动电压，保证IGBT可靠关断。

　　HL402典型应用图如图6所示。

在实际电路中，C1、C2、C3、C4需尽可能地靠近H1402的脚2、脚l、脚4安装。

为了避免高频耦合及电磁干扰，由HL402输出到被驱动IGBT栅射极的引线需要采用双绞线或同轴电缆屏蔽线，其引线长度不超过1m。

脚9和脚13接至IGBT集电极的引线必须分开走，不得与栅极和发射极引线绞合，以免引起交叉干扰。

光耦合器L1可输入脉冲封锁信号，当L1导通时，HLA02输出脉冲立即被封锁至-10V。

光耦合器L2提供软关断报警信号，它在躯动器软关断的同时导通光耦合器L3，提供降栅压报警信号。

使用中，通过调整电容器C5、C6、C7的值，可以将保护波形中的降栅压延迟时间、降栅压时间、软关断斜率时间调整至合适的值。

在高频应用时，为了避免IGBT受到多次过电流冲击，可在光耦合器L2输出数次或1次报警信号后，将输入脚16和脚17间的信号封锁。

　　小结：

以上三者中，M57962AL和HL402都采用陶瓷基片黑色包装，EXB841采用覆铜板黄色包装，由于陶瓷基片的散热性能和频率特性比覆铜板好，HL402的负载能力和散热性能最好，加之合理的布局设计，在三者中的工作频率最高，保护功能最全，而EXB841和M57962AL都没有降栅压保护功能。

另外，HL402和M57962AL提供负偏压的稳压管，放于外部，既有灵活性又提高了可靠性，而EXB841的稳压管在内部，经常因稳压管的损坏而失效。

因此，HL402凭借其优越的性能可以弥补另外两者的