IGBT驱动电路设计论文

近日小编精心整理了《IGBT驱动电路设计论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。摘要：该文通过对IGBT组成的H桥在大功率高速开关条件下进行大量实验，列举了IGBT发生击穿故障的多种原因，结合IGBT器件的结构分析其击穿过程及击穿表现，并通过计算提出了一种输出波形稳定的IGBT驱动电路以及相应的保护电路。

IGBT驱动电路设计论文 篇1：

电力电子器件知识讲座(八)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(二)

3.5 IGBT的结电容特性

在IGBT芯片中，各个不同电极之间都有一定的寄生电容存在，IGBT的等效结电容如图13所示。其中，Cies是指栅极与发射极之间的输入电容；Coes是指集电极与发射极之间的输出电容；Cres是指集电极与栅极之间的反向传输电容。这些电容的大小对驱动电路和缓冲电路的设计都非常重要。图14所示为某型号IGBT结电容的特性曲线。由图中可以看出，随着驱动电阻的增加，IGBT的等效寄生电容有减小的趋势。

3.6 IGBT的损耗特性

IGBT在开关过程并不是瞬间完成的，而是需要一定的时间，在这段时间内，电流电压将会有一段重叠时间，因而会产生一定的损耗。IGBT开通过程中，IGBT承受的电压UCE与集电极电流IC存在重叠时间。在重叠时间中，IGBT承受的电压UCE与集电极电流IC乘积的积分为IGBT每开通一次所损耗的能量。开通损耗随电流增加而增加，如图15所示。

IGBT在关断过程中承受的电压UCE与集电极电流IC也存在重叠时间。在关断过程的重叠时间中，IGBT承受的电压UCE与集电极电流IC乘积的积分为IGBT每关断一次所损耗的能量。关断损耗取决于IGBT的关断特性设计，与饱和压降有折中关系。由于IGBT的关断与内部寄生晶体管的关断有关，因此与功率MOSFET相比，关断时间较长，IGBT的关断损耗特性如图16所示。

栅极驱动电阻对IGBT的开关损耗有较大影响。如图17所示，栅极电阻愈小，IGBT的开关过程愈迅速，开通损耗和关断损耗就愈小。但是，栅极电阻愈小，IGBT开通过程的di/dt就愈大，IGBT的内置二极管反向恢复损耗也愈大。一般需要综合考虑合理选择驱动电阻。

IGBT处于导通状态时，内部导通电阻和PN结压降造成IGBT在导通时有一定的饱和压降。这个饱和压降使得IGBT在导通时也存在一定的导通损耗，称之为通态损耗。与MOSFET不同，由于IGBT利用电导调制效应，因此IGBT的饱和压降较小，约为1.5~3V。IGBT的饱和压降UCE(sat)与集电极电流IC关系如图18所示。在小电流情况下，UCE(sat)与IC关系表现为负温度系数，即在相同的通态电流条件下，结温高时的IGBT饱和压降要比结温低时的低；而大电流下，则表现为正温度系数。原因是在小电流情况下，IGBT导通时等效晶体管的PN结压降等起支配作用，故具有负温度系数，而在大电流情况下，长基区电阻起支配作用，使得器件具有正温度系数。

综合通态损耗、开关损耗，IGBT的总损耗为

Pt=UCEICD+(Eon+Eoff)f(2)

式中，IC为IGBT导通时流过的电流；D为IGBT导通占空比；Eon和Eoff分别为开通损耗和关断损耗；f为开关频率。

3.7 IGBT的安全工作区

IGBT的安全工作区(Safe Operation Area，SOA)是指在不损坏IGBT的前提下，器件在开通或关断时，开关管集电极电流IC和集电极-发射极电压UCE所围成的一个区域。根据导通和关断两个物理过程，对IGBT定义了两个不同的安全工作区，分别是正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。相对于功率MOSFET而言，IGBT有相对大很多的正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。

IGBT开通时的正向偏置安全工作区(FBSOA)由集电极电流、集电极-发射极电压和集电极功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流ICM由避免IGBT发生动态擎住效应而限制，最大集电极-发射极电压UCE是由IGBT中PN结J2所能承受的最大电压所限制，最大功耗则是由最高允许结温所决定。器件导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，直流工作时导通时间最长，安全工作区最小，如图19所示。

IGBT的反向偏置安全工作区(RBSOA)如图20所示。它是由最大集电极电流、最大集电极-发射极间电压和允许的最大集电极-发射极电压上升率dUCE/dt确定。这个区域表示驱动电压为零或负值时，器件关断瞬态的限制区域。随着IGBT关断时集电极-发射极电压上升率dUCE/dt增加，反向偏置安全工作区变窄。

为了反映IGBT承受过载电流时的关断能力，引入短路安全工作区(Short Circuit SOA，SCSOA)的概念，如图21所示。图的实线部分为反向偏置安全工作区(RBSOA)，虚线部分表示短路安全工作区。SCSOA在集电极过载电流增大时有变窄的倾向，这点在设计时需要加以注意。IGBT可以在反向偏置安全工作区(RBSOA)连续、重复运行，但在短路安全工作区(SCSOA)只能单次运行或长时间间隔运行，主要用于短路保护。

在IGBT的应用电路设计时，必须保证IGBT在开通瞬间、关断瞬间以及短路瞬间，IGBT的电压电流的运行轨迹(UCE－IC)全部落在对应的安全工作区内，否则器件就会损坏。通常通过设计吸收电路，确保IGBT的工作轨迹在安全工作区内。

4 IGBT的选择

4.1 绝缘栅双极晶体管IGBT的识别

绝缘栅双极晶体管(IGBT)是三极管和MOSFET的复合器件，具有下列优点：开关速度高，开关损耗小；在电压1000V以上时，开关损耗只有普通三极管的1/10，与MOSFET相当；在相同电压和额定电流时，安全工作区比三极管大，且具有耐脉冲电流冲击能力；通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域；输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；与MOSFET和三极管相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时还可保持开关频率高的特点。

绝缘栅双极晶体管有三个电极：栅极G、集电极C和发射极E。电气图形符号如图22和图23所示。

图22(a)带续流二极管单元封装的IGBT模块；(b)不带续流二极管单元封装的IGBT模块；(c)带两个续流二极管的低端斩波器用IGBT模块；(d)带两个续流二极管的高端斩波器用IGBT模块；(e)带一个续流二极管的斩波器用IGBT模块；(f)带一个续流二极管的斩波器用IGBT模块；(g)带有阻塞二极管的斩波器用IGBT模块；(h)带有阻塞二极管的斩波器用IGBT模块；(i)续流二极管与IGBT独立封装的斩波器用IGBT模块；(j)带续流二极管两单元单桥封装的IGBT模块；(k)带续流二极管两个独立封装的IGBT模块；(l)两单元同时共栅与共发射极封装的IGBT模块；(m)带有独立整流管的两单元同时共栅与共发射极封装的IGBT模块；(n)三单元同时共栅与共发射极封装的IGBT模块；(o)四单元单相桥封装的IGBT模块；(p)四单元两个独立半桥封装的IGBT模块；(q)由不带续流二极管的IGBT与独立整流管组成四单元封装的IGBT模块；(r)单单元三相全控桥封装的IGBT模块；(s)六单元三个独立桥臂封装的IGBT模块；(t)六单元三个独立共发射极和共集电极封装的IGBT模块；(u)六单元三桥臂上端共集电极封装的IGBT模块。

图23中：(a)三相整流桥与三相IGBT逆变桥混合封装的IGBT模块；(b)单相整流桥与三相IGBT逆变桥混合封装的IGBT模块；(c)三相IGBT逆变桥与IGBT斩波管混合封装的IGBT模块；(d)三相整流桥与三相IGBT逆变桥及IGBT斩波回路封装的IGBT模块；(e)三相整流桥与IGBT斩波管封装的IGBT模块；(f)带有温度传感器的半桥IGBT模块；(g)带有温度传感器的；(h)带有温度传感器的三相整流桥与IGBT斩波管封装的IGBT模块；(i)带有温度传感器的晶闸管半控桥与IGBT斩波管混合封装的IGBT模块；(j)带有温度传感器的三相整流桥与三相IGBT逆变桥及IGBT斩波回路封装的IGBT模块；(k)带有温度传

感器的单相整流桥与三相IGBT逆变桥IGBT斩波回路封装的IGBT；(l)带有温度传感器的单相整流桥与三相IGBT逆变桥及电流互感器封装的IGBT模块；(m)带有温度传感器的三相整流桥与三相IGBT逆变桥及IGBT斩波回路、电流互感器封装的IGBT模块；(n)带有温度传感器的六单元三相全控桥及电流互感器封装的IGBT模块。(未完待续)

作者：乔恩明 薛玉均 刘敏

IGBT驱动电路设计论文 篇2：

大功率IGBT击穿故障分析及驱动保护电路设计

摘 要：该文通过对IGBT组成的H桥在大功率高速开关条件下进行大量实验，列举了IGBT发生击穿故障的多种原因，结合IGBT器件的结构分析其击穿过程及击穿表现，并通过计算提出了一种输出波形稳定的IGBT驱动电路以及相应的保护电路。

关键词：击穿 驱动 保护

目前，大功率电源技术的发展向着小型、高频方向迈进，其功率开关部分多采用IGBT来实现，但是由于功率的增大、开关频率的增高及设备体积的减小，使得IGBT发生击穿甚至炸管的故障率显著增加，该文通过使IGBT工作在500 V/10 KHz条件下进行的各项试验，对不同原因导致的击穿现象进行分析总结，论述了不同情况下击穿的根本原因及表现形式，提出了一种IGBT驱动保护电路，经实际验证，此电路运行稳定，保护动作快速有效。

IGBT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，具有载流密度大，开关速率快，驱动功率小而饱和压降低的优点。非常适合应用于直流电压为600 V及以上的大功率逆变系统，在工业领域有着广泛的应用。

1 击穿原因分析

由于该器件经常应用于大功率及开关速率快的场合，因此发生击穿甚至炸管的几率非常高，究其根本击穿原因有以下三点：过压击穿、过流击穿、过温击穿。

1.1 过压击穿

引起过压击穿的原因有很多，比如负载、线路、元器件的分布电感的存在，导致IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然变小，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压Uce=L×dic/dt，此电压若大于IGBT的耐压值，则会击穿IGBT；另外，静电、负载变化、电网的波动、驱动电路失效开路以及外部电磁干扰都可能引起电压击穿。

过压击穿分为两个步骤：（1）IGBT的雪崩击穿；（2）IGBT短路。

第一步：雪崩击穿，当IGBT的栅极电压为零或负时，处于正向阻断状态，此时若IGBT承受外部阻断电压较高，耗尽层的电场强度随电压升高而升高，就会在耗尽层产生大量的电子和空穴，当电场强度超过临界值时，外部阻断电压会使中性区边界漂移进来的载流子加速获得很高的动能，这些高能载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞时使之电离，产生新的电子-空穴对。新生的电子-空穴对立即被强电场分开并沿相反方向加速，进而获得足够动能使另外的点阵原子电离，产生更多的电子-空穴对，载流子在空间电荷区倍增下去，反向电流迅速增大，发生雪崩击穿，直至PN 结损坏。这个使得PN 结电场增强到临界值的外部电压称为IGBT的雪崩击穿电压。

第二步：IGBT短路，IGBT的雪崩击穿是一个可逆过程，不会立即导致IGBT损坏，此过程如果通过增加吸收回路等方法使过压时间控制在10个电压脉冲周期以内，IGBT不会表现为不可逆的击穿状态，但如果吸收回路没能在短时间内吸收浪涌电压，那么IGBT则会表现为集电极发射极短路状态（静电击穿门级表现为门级发射极短路），此状态不可逆。

1.2 过流击穿

导致IGBT过流击穿的原因多为负载短路、负载对地短路，此外，由于驱动电路故障、外界干扰等造成的逆变桥桥臂不正确导通也是过流击穿的一大原因。

IGBT有一定抗过电流能力，但时间要控制在10 us以内。IGBT 内部有一个寄生晶闸管，所以有擎住效应。在规定的发射极电流范围内，NPN 的正偏压不足以使其导通，当发射极电流大到一定程度时，这个正偏压会使NPN 晶体管开通，进而使NPN 和PNP 晶体管处于饱和状态，导致寄生晶闸管开通，此时门极会失去控制作用，便发生了擎住效应，IGBT 发生擎住效应后，发射极电流过大造成了过高的功耗，最后导致器件的损坏。过流击穿多表现为可见性炸管。

1.3 过温击穿

IGBT的最大工作温度一般为175 ℃，但实际应用中结温的最高温度要控制在150 ℃以下，一般最好不要超过130 ℃，否则高温会引起外部器件热疲劳以及IGBT稳定性变差，经过实际验证IGBT长时间工作在40 ℃左右为宜。

发生过温击穿的主要原因为散热设计不完善，电路设计原因为死区时间设置过短、控制信号受干扰导致的逆变桥臂瞬时短路、负载阻抗不匹配、驱动电压不足、IGBT器件选型错误导致的和设计开关频率不匹配等。

过温失效主要表现在以下几个方面：栅门槛电压VGE增大；CE动态压降VCE增大；动态导通时间增大，关断时间减小；开关损耗增大。

2 驱动保护电路设计

2.1 驱动电路设计思路

以K40T120（1200 V/40 A）型IGBT为例进行驱动电路设计：

2.1.1 确定门级电电容及驱动电压：用Cin=5 Ciss进行计算，根据手册可查Ciss=2360 pF，则Cin=2360×5=11.8 nF，

根据Q＝∫idt＝Cin×ΔU计算驱动电压ΔU经查此IGBT门级电容Q=192 nC，ΔU=Q/Cin=16.3 V，因此最小驱动电压为16.3 V。

2.1.2 确定门级正偏压以及负偏压：正偏压Vge越高，器件的导通损耗就越小，但是，Vge不允许超过+20 V，原因是一旦发生过流或短路，Vge越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。负偏压的应用是为了在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止，一般选为5～15 V为宜。综合最小驱动电压16.3 V，由器件Vgate/Ic曲线选定正偏压+11 V、负偏压-9 V为最终驱动电压。

另外，驱动电路还应有门极电压限幅功能，以防外界干扰及器件损坏等造成的门级过驱动击穿IGBT。

2.1.3 确定驱动电流及驱动电阻：一般来讲，IGBT器件的耐压耐流越大，IGBT的门极和集电极间的等效电容越大，所需的电流越大，此外开关频率越大，所需门级电流越大。

K40T120的门级电流为200 mA，以20 V驱动电压计算，其最小驱动电阻为20 V/200 MA=10 K，选择10 K作为驱动电阻。

由器件的Rg/Td（on）Td（off）曲线结合所需开关频率确定门级电阻为40 Ω。

此外，IGBT驱动电路需要设计隔离电路（可采用光耦隔离或变压器隔离），防止IGBT击穿时损坏驱动电路或者中控电路，设计的思路是尽可能的简单实用，要有抗干扰能力，输出阻抗越低越好。

2.2 IGBT驱动电路

由于电路中分布电感和分布电容对IGBT高速开关状态会有很大的影响，所以采用分级设计，前后级用双绞线进行连接。

图1所示为K40T120的前级驱动电路：由光耦进行隔离，信号由光耦输入，20 V电压输入经整形变为+11/-9 V的驱动波形由G/E输出。

图中电容的作用是使输出波形更平稳，稳压管1N4739（9.1 V稳压管）的目的是提供负偏压，可根据实际情况进行改变。

图2所示为IGBT后级驱动部分，以H桥单桥臂为例实际应用中可在电源母线加装π型滤波器、增加电容组的容量以抑制浪涌电压，P6KE16CA为双向瞬态电压抑制器件，防止门级电压过高引起器件损毁。

2.3 IGBT的保护

IGBT的过压保护主要采用减少电路分布电感、增加吸收缓冲回路、增大门级电阻等方法来实现，此部分电路加装在驱动电路部分。

IGBT的过温保护主要采用散热片加风冷的方式实现，并参考实际应用参数（工作电流及环境温度）进行设计，在此不再赘述。

IGBT过流保护电路：

IGBT具有一定的过流能力，但是过流时间不可超过10 us，要求过流保护电路要有高精度、快速反应等优点，因此采用电源母线采样、高速比较器进行电流比较，一旦超过设定电流立刻关断驱动波形，保护IGBT。

图3所示保护电路，高速比较器采用LM211，电感L串入母线回路，由330 Ω电阻进行采样并经分压输入2脚，3脚的基准电压有电源电压分压得到，调整20K电阻调节保护灵敏度，CD4013的输出端可根据实际需要接入波形发生电路或经光耦隔离接入驱动电路。

此保护电路在500 V/20 A的逆变电路中应用，IGBT击穿率下降到7%左右，有实际的应用价值。

3 结语

IGBT器件由于其工作在大电压、大电流的状态下，因此，发生击穿甚至炸管的故障较多，但是，只要按照器件手册及相关计算公式计算驱动电压、电流，选定稳定可靠的驱动电路，合理设计电路板结构，增加相应的保护措施，IGBT完全可以稳定可靠地工作。

参考文献

[1] IGBT保护分析.英飞凌公司器件手册.

[2] 王启文，冷祥彪，胡德庆，等.中频电阻焊机电源的IGBT保护方法[M].电源技术，2007，9.

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[4] 刘星平.IGBT驱动电路的研究[J].电气开关，2002（5）.

[5] 尹海.IGBT驱动电路性能分析[M].电力电子技术，1998，3.

[6] 卫三民.一种大功率IGBT实用驱动及保护电路[M].清华大学学报，2001，9.

[7] 汪波，胡安，唐勇，等.IGBT电压击穿特性分析[M].电工技术学报，2011，8.

作者：张广智 王琳琳 赵伟华 张伟光 李全熙

IGBT驱动电路设计论文 篇3：

谈英飞凌1ED020I12在IGBT驱动电路中的应用

(宁波韵升股份有限公司)

摘要：介绍英飞凌磁隔离驱动芯片1ED020I12的基本组成及主要特性；详细描述了1ED020I12在IGBT驱动电路中的工作过程及其设计要点，并指出IGBT驱动电路设计过程中需要注意的问题及解决方法。

关键词：1ED020I12；磁隔离；IGBT驱动

作者：励国旦