IGBT栅极驱动的驱动条件和栅极电阻Rg的作用

　　igbt驱动器是驱动igbt并对其整体性能进行调控的装置，它不仅影响了igbt 的动态性能，同时也影响系统的成本和可靠性。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致 igbt 和驱动器损坏。

　　一、igbt驱动器的结构形式及特点

　　目前供igbt使用的驱动电路形式多种多样 ，各自的功能也不尽相同。从综合的观点看 ，还没有一种十全十美的电路。 　从电路隔离方式看，igbt驱动器可分成两大类，一类采用光电耦合器，另一类采用脉冲变压器，两者均可实现信号的传输及电路的隔离。 　下面以日本富士公司的 exb841 驱动器为例 ，简单说明光电耦合驱动器的工作原理（见图）。图中 + 20v驱动电源通过r1 和v5 分为+15v及 + 5v两部分。当来自控制电路的控制脉冲进入光电耦合器v1 后 ，放大器使v3 导通 ，gbt栅极即得到一个 +15v 驱动信号并导通。当控制信号消失后 ，v4 导通 ，此时igbt即得到一个 - 5v 的栅源电压并截止。igbt在导通期间过流时 ，会脱离饱和状态 ，此时uds升高。驱动器内的保护电路通过 v6 检测到这一状态后 ，一方面在 10μs 内逐步降低栅压 ，使 igbt进入软关断状态 ，另一方面通过光耦 v2 向控制电路发出过流信号。

　　光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的 ，由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制 ，而且可以较容易地通过检测 igbt通态集电极电压实现各种情况下的过流及短路保护 ，并对外送出过流信号。目前国内外都趋向于把这种驱动器做成厚膜电路的形式 ，因此具有使用较方便 ，一致性及稳定性较好的优点。其不足之处是需要较多的工作电源。例如 ，全桥式开关电源一般需要四个工作电源 ，从而增加了电路的复杂性。驱动器中的光电耦合器尽管速度较高 ，但对脉冲信号仍会有 1μs左右的滞后时间 ，不适应某些要求较高的场合。光电耦合器的输入输出间耐压一般为交流2500v ，这对某些场合是不够的。例如 ，许多逆变焊机的输出直接反馈到控制电路 ，而国家的有关标准却规定焊机输入输出之间应能承受交流 电压 从而给电路的设计增加了困4000v ，难。另外 一旦 烧坏 驱动器通常也随之， igbt ，烧毁 从而增加了维修的复杂性及费用。

　　二、驱动电路的基本性能

　　IGBT器件的发射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导通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率IGBT的CGs一般在10~l00pF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~l00pF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。

　　IGBT栅极电压可由不同的驱动电路产生，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可靠性。正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。

　　IGBT正栅压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小。但是，如果VGE过大，一旦IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。相反如果VGE过小，可能会使IGBT的工作点落人线性放大区，最终导致器件的过热损坏。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12~20V之间。

　　当栅极电压为零时，IGBT处于断态。由于IGBT的关断过程可能会承受很大的dv/dt，伴随关断浪涌电流，干扰栅极关断电压，可能造成器件的误开通。为了保证IGBT在集电极-发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还可减少关断损耗。反向偏压应该在—5~—15V之间。理想的心鄒驱动再路应具有以下基本性能：

　　1）要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压VGE。理论上VGE≥VGE（th），IGBT即可导通；当VGE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。正向VGE越高，IGBT器件的VGES越低，越有利于降低器件的通态损耗。但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过电压增大。因此正偏压要适当，一般不允许VGE超过+20V。关断IGBT时，必须为IGBT器件提供—5~—15V的反向VGE，以便尽快抽取IGBT器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。采用反偏压可减少关断损耗，提高IGBT工作的可靠性。

　　2）要求驱动电路具有隔离的输入、输出信号功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很小。

　　3）要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻RG，用以控制VGE的前后沿陡度，进而控制IGBT器件的开关损耗。RG增大，VGE前后沿变缓，IGBT开关过程延长；开关损耗增加；RG减小，VGE前后沿变陡，IGBT器件开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。较小的栅极电阻使得IGBT的导通di/dt变大，会导致较高的dv/dt，增加了续流二极管恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极电阻时要兼顾到这两个方面的问题。因此，RG的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧姆到几十欧姆。

　　4）驱动电路应具有过压保护和dv/dt保护能力。当发生短路或过电流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。

　　栅极驱动功率

　　IGBT要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动负、正偏置电压的差值△VGE、栅极总电荷Qc和工作频率Fs的影响。驱动电路电源的最大峰值电流IGPK为

　　IGPK=±（△VGE/RG）

　　驱动电路电源的平均功率PAV为

　　PAV=AVCE×Qc×Fs

　　驱动电路电源应稳定，能提供足够高的正负栅压，电源应有足够的功率，以满足栅极对驱动功率的要求。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立的隔离电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立设置，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电源。

　　三、IGBT的驱动条件

　　严格地说，能否充分利用器件的性能，关键取决于驱动电路的设计。前面讲过，理论上VGE≥VGE（th），IGBT即可导通；一般情况下VGE（th）=5~6V，当VGE增加时，通态压降减小，通态损耗减小；但IGBT承受短路电流能力减小；当VGE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。当VGE减小时，通态压降增加，通态损耗增加。

　　为使通态压降最小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流能力，通常选取VGE≥D×VGE（th），当VGE（th）为6V，系数D分别为1.5、2、2.5、3时，VGE则分别为9V、12V、15V、18V；通常栅极驱动电压VGE取12~15V为宜，12V最佳。IGBT关断时，栅极加负偏压，提高抗干扰能力，提高承受dv/dt能力，栅极负偏压一般为-10V。

　　在IGBT栅极驱动电路设计时，应特别注意导通特性、负载短路能力和dv GE/dt引起的误触发等问题。正偏置电压VGE增加，通态电压下降，导通能耗EON也下降，分别如图2a和图4-2b所示。若使VGE固定不变时，导通电压将随集电极的电流增大而增高；导通损耗将随结温升高而升高。

　　

　　图2 正偏置电压VGE（ON）与VCE和EON的关系

　　a）VGE（ON）与VCE的关系b）VGE（ON）与EON的关系

　　IGBT栅极负偏电压-VGE直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时集电极的浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，-VGE与集电极浪涌电流和关断能耗EOFF的关系分别如图3a和图3b所示。栅极电阻RG增加，将使IGBT的导通与关断时间增加；因而使导通与关断能耗均增加。而栅极电阻减少，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，同时RG上的损耗也有所增加。

　　

　　图3-VGE与集电极浪涌电流和关断能耗EOFF的关系

　　a）-VGE与集电极浪涌电流关系b）-VGE与关断能耗Eoff的关系

　　由上述不难得知：IGBT的特性随栅极驱动条件的变化而变化，就像。双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。然而，对于IGBT来说，栅极驱动条件仅对其关断特性略有影响。

　　栅极驱动电路的阻抗，除了引起电流下降时间延迟外，栅极电阻还影响开关损耗。栅极电阻减小时，总损耗将减小。导通损耗主要由MOSFET的特性决定，关断损耗主要由少子决定，导通损耗比关断损耗受栅极电阻的影响更大。为了减小dv/dt的影响，栅极通常应加人一个负偏压。但是，这样要求增加与高压侧开关器件隔离的电源。

　　栅极电压的降低有助于控制IGBT承受短路电流的能力，降低栅极驱动电压，能够减小短路时的集电极电流和功耗。在IGBT栅极串人二极管、电阻网路，就能完成这种功能，并且响应时间小于1μs。在IGBT驱动电路设计应注意以下事项：

　　1） IGBT具有一个2.5~5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBTr对栅极电荷非常敏感，故驱动电路的设计必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流Ic随VGE增大而增大，可能使.IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤VGE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选-5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。

　　2） IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。

　　3） 选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制dvce/dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制dic/dt，CG太大，开通时间延时，CG太小对抑制dic/dt效果不明显。

　　4） 当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，而引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射问并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。

　　5） 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压VGE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT导通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT因不退出饱和而损坏。

　　6） 驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。

　　7） 在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。

　　8） 由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。

　　9） IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并要求有较强的抗干扰能力。

　　四、栅极电阻Rg的作用

　　1、消除栅极振荡

　　绝缘栅器件（IGBT、MOSFET）的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。

　　2、转移驱动器的功率损耗 电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多。

　　3、调节功率开关器件的通断速度

　　栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作，因此必须统筹兼顾。

　　五、igbt驱动器如何选择？

　　1 确定igbt门极容量

　　在设计和选购igbt 驱动器之前，必须首先知道igbt 的门极负荷q，这是一个十分重要的参数，但在igbt 的技术参数中生产厂家一般并不直接给出，而需要我们借助其它参数得到。igbt 具有mosfet 的输入级，在igbt的技术资料中往往有一个参数ciss，一般我们把它叫作输入电容，该电容的测试往往是在ugs=0，uos=25v，f=1mhz 的情况下进行，由于密勒效应， 该值往往比在ugs= o v 时要小，根据实践经验，igbt 的输入电容一般满足下面的公式 　cin≈5ciss 　一般simens 和 eupec 公司的igbt 满足上述公式。知道了igbt 的输入电容cin，门极的负荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表门极的驱动电压，大多数的igbt 开通电压+15v，关断电压-5v，因而△u= 2 0 v ， 如应用十分广泛的e x b 8 4 1 系列。高电压、大电流igbt 往往开通关断均为15v，因而△ u= 3 0 v 。

　　2 开关频率确定

　　开关频率的大小不仅影响系统的控制精度，而且影响系统的整体性能，如运行效率，噪声指标。开关频率是所有电力电子变换器的一个重要参数。根据igbt 的门极容量，储存在igbt 输入电容中的能量可以计算得到每个脉冲周期栅极充放电各一次，因而驱动一只igbt 的功率为：f 为开关频率。驱动器的平均输出电流iout可以这样得到：p=iout * △u 比较上面两式q=iout / f 驱动器的平均电流在数据文档可以找到，则igbt的最大允许开关频率可以得到： 。

　　3 门极驱动电阻rg的选取

　　igbt的开关时间是由驱动器对igbt的输入电容的充放电来控制，增加门极输出电流，igbt 开通时间和关断时间会相应缩短，开关损耗也会降低，rg主要是用来限制门极输出的降值电流， rg可由下式确定： rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驱动器数据文档中找到。有些情况下，充放电峰值电流不同，门极电阻可以分别选取。

　　4 igbt驱动器的比较选择

　　4.1 光电耦合和变压器耦合式比较 　光电耦合隔离式采用直流电源，输出脉冲宽度可调。通过检测集电极电压实现过电流保护。具有使用方便稳定性好的优点。缺点是双侧均采用电源，电路复杂。比如exb841驱动器，光电耦合器输入与输出之间耐压一般较低为交流2500v，但实际使用中设备承受力不符合其条件，给使用带来限制。另外，一旦igbt 烧坏，驱动器受到损坏给维修带来不便且不经济。 　变压器耦合隔离式不用专设的电源，线路简单， 输入输出间耐压高， 成本低、响应快。缺点是igbt 关断期间得不到持续的反向门极电压，抗干扰能力差，且输出脉冲宽度不可调，不能实现过电流保护，并且由于漏感的存在使绕组的绕制工艺复杂容易出现振荡。

　　4.2 igbt 驱动器选择 　目前市场上可见的驱动器：光电耦合隔离驱动器有日本富士exb841，国内落木源电子ka101，日本英达hr065等。变压器隔离式驱动器有美国unitrode公司uc3724-3725系列，还有专用的用来驱动一个桥臂上2个igbt的美国ir公司的ir2110及国内落木源电子的kd303，还有德国西门子公司的skh121等。可供选用的范围很广，应用方便。但使用时应注意过电流问题， 比如exb841 系列驱动器，采用era34-10 型快速二极管， 导通电压为3v ， 反向耐压采用与igbt 相同的等级。可以实现自身过电流保护，但若igbt 过电流对其寿命是有影响的。解决办法是： ①反串稳压管， 限制igbt 的电流为200a，使工作稳定可靠且电路简单;②采用电流传感器进行直接限流。