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基于射极跟随器的IGBT栅极驱动器技术分析

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 14:04

  微控制器发出的隔离驱动信号通过驱动器管理功率半导体器件(例如IGBT)。概括地说,IGBT的栅极驱动器是一个放大器,它通过提高电压和电流来放大控制信号。栅极驱动器的主要作用是对IGBT的输入和反向传输电容充放电。因此,栅极驱动器(除其他影响因素外)与IG8T的开关性能密切相关,也与通态损耗和开关损耗有关。
  栅极驱动器不仅可以开通和关断IGBT,还可以实现更为复杂的控制,后文将详细介绍。例如,实现?;すδ芎涂刂瓶亟锥蔚膁u/dt和di/dt。因此,首先介绍常用的驱动IGBT的
基本电路,然后进一步分析那些复杂的功能。
  基本上,栅极驱动器要对某个电容进行充放电,这个电容充电电荷被称为栅极电荷QG,而且原则上可以由以下两种方法确定电压作为参考,即

QG=C•U  (1)
  电流作为参考,即
QG=I•t  (2)
  在实际应用中,采用参考电压的栅极驱动器相对于后者有一些优势,后文有更详细的介绍。
  下面将介绍电压源驱动器。
  现在,几乎绝大多数的IGBT驱动器都是基于电压源。与电流源栅极驱动器相比,它的优势是其功率损耗在栅极电阻上,而不是在驱动中的电流源内。通过栅极电阻,可以调整最大的栅极电流。栅极电流的计算推导将在后文进行说明。电压源驱动器的另一优势是相对简单的电路和控制方法。如今,驱动器的市场由像BJT射极跟随器的电压源驱动器和MOSFET驱动器平分,但实际这两者有所不同。更新的一代,例如,N沟道推挽栅极驱动已经在混合信号ASIC中实现并提高了电路的集成度。
  图1给出了IGBT电压源驱动的基本电路。像栅极电感LCE等参数不能忽视,必须加以重视。
图1 电压源驱动的基本电路 
图1 电压源驱动的基本电路
 
  1. H桥电路
  H桥电路可以很简单地实现在IGBT栅极上电位的逆转?;贖桥电路的IGBT驱动器如图2所示。这里,控制信号被转换成反相和非反相信号。非反相信号导通晶体管VT3和VT2,相应地,反相信号导通VT1和VT4。当VT3和VT2导通时,正电压施加于IGBT的栅极,栅极电阻RG则限制了给IGBT的输入电容和反向转移电容的充电电流。如果开关VT1和VT4导通,正电源电压施加在IGBT发射极,相当于一个负的栅-射极电压UCE加在先前充电的电容上,这样电容将被放电。H桥电路的优点是只需要单极性电源,即不需要负电压电源。H桥电路的缺点是晶体管控制方法较复杂,同时,需要升压电路来增加驱动级峰值电流的能力。此外,不可能在一个逆变器系统中仅使用同一个电源用于所有底部IGBT的驱动。每个H桥电路需要一个单独的隔离电源。
图2 基于H桥电路的IGBT驱动器 
图2 基于H桥电路的IGBT驱动器
 
  2. 栅极路径中的射极跟随器
  (互补的)射极跟随器的电路是由双极结型晶体管组成,带有互补射极跟随器的IGBT栅极驱动器如图3所示。当输入电压Uin为正时,VT1在这里的作用就像射极跟随器(见图3),这意味着输出电压Uout,等于输入电压减去VT1发射结上的压降。这时,VT2是关断的。IGBT输入电容和反向传输电容的充电电压
Uout=Uin-UBE=Uin-0.7V    (3)
  因此,为了确保IGBT栅极电压达到标准导通电压即15V,施加的输入电压Uin必须比UBE高,比如15.7V。当Uin=UEE时,控制VT2导通,这时VT2也可以看成是射极跟随器。此时VT1关断,UEE可以等于0V,或是任何不小于-15V的负电压(典型的电压值在-15~5V) 。
图3 带有互补射极跟随器的IGBT栅极驱动器 
图3 带有互补射极跟随器的IGBT栅极驱动器
  这个驱动电路的输出电流不会受晶体管限制,但受栅极电阻和引线电感的制约。如果晶体管负载电流的能力不足,可以用一个额外升压级或者用多个晶体管并联在VT1和VT2上来提高输出能力。
  通常,晶体管VT1和VT2都是数字控制,即IGBT开通和关断的电压在UCC和UEE(减去基-射极PN结电压降)之间转换。后面的章节将会讨论射极跟随器的这种可控制性,使得它与额外的?;さ缏方岷鲜褂檬本哂幸欢ǖ挠攀?。
  射极跟随器晶体管的直流增益是由hFE或B参数定义,这个值是最大输出电流IC和基极电流IB的比值。如果IGBT的最大栅极电流(由栅极电阻Rg测定)大于由IB和hFE给出的BJT最大集电极电流,晶体管将进入线性工作区,并可以作为一个电流源。这时IGBT电容的充电和放电速度会变慢,所以应该避免这种工作模式。通常BJT的数据手册会给出hFE参数,而且它与负载电流和结温有关。一旦确定IGBT的最大栅极电流,射极跟随器的基极电流lb就可以通过hFE值来计算获得。
  缓冲电容C提供了IGBT输入电容和反向传输电容的充放电电流?;撼宓缛莼岵撇ǖ缌?,其频率相当于驱动信号的开关频率。因此,只有那些专为该频率设计的电容才适合。在IGBT和功率MOSFET的驱动控制中,这个陶瓷电容必须比功率驱动器的输入和反向传输电容大10倍左右。这里不推荐使用铝电解或钽电解电容,因为它们不适合这种工况。如果使用了上述电容,将会带来很大的风险。
 
  3. 发射极路径中的射极跟随器
  通常,IGBT发射极路径上的射极跟随器采用与栅极射极跟随器相同的电路拓扑和设计规则,不同的是这个射极跟随器不是接在栅极,而接在发射极,如图4所示。晶体管VT2开通,IGBT电容充电,VT1开通,IGBT电容放电。与图3相比,正好相反。在发射极路径上采用射极跟随器,IGBT的栅极与驱动级的地相连,这样会阻止由于密勒电容和发射极电感产生的高du/dt或di/dt而引起IGBT误导通。
图4 在发射极路径中带有射极跟随器的IGBT驱动器 
图4 在发射极路径中带有射极跟随器的IGBT驱动器
  这个电路在IGBT并联连接时是有一定的优势。当并联IGBT使用同一个驱动级,由于“栅极电阻”与发射极相连,因此平衡电流很小。
  对于供电电压,UEE需要保持在-15V,然而UCC则在0~15V之间。相似地,其供电电压与其在栅极路径时恰好相反。
  表1 给出了常用于射极跟随器的BJT芯片,可以通过査表选择合适的晶体管。
表1  常用于射极跟随器的BJT芯片
常用于射极跟随器的BJT芯片



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