基于IGBT的逆变器驱动电路设计

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《自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第３期

基于IGBT 的逆变器驱动电路设计

张　军１，卞　清２

（１．中国重汽集团大同齿轮有限公司装备部，山西　大同　０３７００５；２．中国重汽集团大同齿轮有限公司技术中心，山西　大同　０３７００５）

摘　　要：讨论了ＩＧＢＴ的工作特性及其对驱动电路的要求，根据ＩＧＢＴ特性及变频器逆变电路要求设计了一种以ＨＣＰＬ－３１４Ｊ为核心芯

片具有保护功能的ＩＧＢＴ驱动电路。实验证明该电路结构简单，使用可靠，易于操作，配合ＡＲＭ等控制芯片能达到很好的驱动效果。

关键字：ＩＧＢＴ；ＨＣＰＬ－３１４Ｊ；逆变电路；驱动电路

中图分类号：ＴＭ４６４　　　　文献标识码：Ｂ　　　　文章编号：１００３－７２４１（２０１１）０３－０１０３－０３

Design on Driving Circuit of Inverter based on IGBT

ZHANG Jun1, BIAN Qing2

( 1. Equiptment Department of China national heavy duty truck group Datong gear CO., LTD. Datong 037005 China;

2. Technical Center of China national heavy duty truck group Datong gear CO., LTD. Datong 037005 China )

Abstract: The paper discussed the operating characteristics of IGBT and the requirements of the driving circuit, according to

characteristics of IGBT and the requirement of inverter circuit to design an order HCPL-314J as the core chip withprotection function of the IGBT driving circuit. Experiments prove that the circuit structure is simple, reliable, and easy tobe operated cooperates, with the ARM controller chip to achieve good results.

Key words: IGBT; HCPL-314J; inverter circuit; driving circuit

１　　引言

绝缘栅双极型晶体管（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ＭＯＳＦＥＴ的高输入阻抗和ＧＴＲ的低导通压降两方面的优点，易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高（１０－４０ｋＨｚ），因此在电力电子领域得到了普及，并被应用于许多领域，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动、电子驱动器等领域。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换成另一频率电源的电能控制装置。本设计中变频器逆变主电路部分是由Ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司的Ｈ２５Ｔ１２０型ＩＧＢＴ组成的三相桥式逆变电路，该型ＩＧＢＴ具有较

高的反向电压（高达６．５ｋＶ），开关电流最大可达３ｋＡ，除功率模块自身外，电力电子系统中的一个关键组件是ＩＧＢＴ驱动器，它是功率晶体管和控制器之间重要的接口。驱动器的作用是将控制电路输出的ＰＷＭ信号进行功率放大，满足驱动ＩＧＢＴ的要求，驱动器功率不足或选择错误可能会导致模块和驱动器故障。所以本文针对ＩＧＢＴ的驱动特性进行了分析，并提出一种驱动电路的设计方法。

２　　IGBT 的工作特性

ＩＧＢＴ是ＭＯＳＦＥＴ与双极晶体管的复合器件，其驱动与ＭＯＳＦＥＴ驱动相似，是电压控制器件，驱动功率小。但ＩＧＢＴ的栅极与发射极之间、栅极与集电极之间存在着结电容，在它的发射极回路中存在着漏电感，由于这

收稿日期：２０１０－１２－１４

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些分布参数的影响，使得ＩＧＢＴ的驱动波形与理想驱动波形产生较大的变化，并产生了不利于ＩＧＢＴ开通和关断的因素。

ＩＧＢＴ的开通和关断是由栅极电压来控制的。当在栅极加正向电压时，ＭＯＳＦＥＴ内形成沟道，并为ＰＮＰ晶体管提供基极电流，进而使ＩＧＢＴ导通。当在栅极上施加反向电压时ＭＯＳＦＥＴ的沟道消除，ＰＮＰ晶体管和基极电流被切断，ＩＧＢＴ即被关断［１］。

ＩＧＢＴ和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。

路之间信号传输的畅通无阻，当需要驱动电路的输入端与输出端电气隔离时，一般采用光电耦合器的隔离驱动器或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。

隔离驱动产品绝大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅器件，采用厚膜工艺制成ＨＩＣ电路，部分阻容元件也由引脚接入。一般数字信号处理器构成的控制系统，ＩＧＢＴ驱动信号由处理器集成的ＰＷＭ模块产生的。而ＰＷＭ接口驱动能力及其与ＩＧＢＴ的接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。由于ＩＧＢＴ是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，故本文选用Ａｇｉｌｅｎｔ公司的ＨＣＰＬ－３１４Ｊ高速光电耦合器来达到光电隔离的目的。

ＨＣＰＬ－３１４Ｊ的主要特征：１６引脚双列直插封装；驱动电路的最小输出电流峰值为０．４Ａ；最小共模抑制比为１０ｋＶ／μｓ；最大低电平为０．５Ｖ，无需栅极负压；最大供电电流为３ｍＡ；电源电压范围为１０Ｖ－３０Ｖ；最大开关速度为０．７μｓ。ＨＣＰＬ－３１４Ｊ的内部结构框图如图１所示［３］。

３　　驱动电路设计

３．１　　IGBT 驱动特性

ＩＧＢＴ栅极正向驱动电压的大小对电路性能有重要影响，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I C 随U GE 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，故一般选取12V ≤U GE ≤15V 。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。

一般情况下，ＩＧＢＴ的开通与关断速度由栅极电阻

R G 来决定和调整，当R G 增大时，有利于抑制ＩＧＢＴ　的

电流上升率及电压上升率，ＩＧＢＴ的开通和关断时间增加，从而使导通和关断损耗增加；当R G 减小时，则会导致dt 增加，从而引起ＩＧＢＴ的误导通［２］　，但R G 的存在会使输出脉冲对栅极电压的嵌位作用降低，当ＩＧＢＴ集电极电压发生突变时，将会有电流通过弥勒电容耦合到栅极，使栅极电压随之变化，影响ＩＧＢＴ的正常工作，改变ＩＧＢＴ输出电流的波形。然而若将栅极电阻R G 去掉又会使ＩＧＢＴ开通和关断速度不可控，造成过大的

图１　HCPL-314J 的内部结构框图

ＨＣＰＬ－３１４Ｊ输出电路具有宽限工作电压范围，易于提供门控器件所需的驱动电压。它适于额定容量为１２００Ｖ／１００Ａ的ＩＧＢＴ。

３．３　IGBT 驱动电路设计

dv dt 和di dt 。所以R G 值应根据ＩＧＢＴ的电流和电压

额定值及开关频率来选取，取值范围一般为十几Ω到几百Ω之间［２］。

３．２　　IGBT 驱动电路分析

在桥式逆变器中的ＩＧＢＴ的工作电位差别很大，不允许控制电路与其直接耦合，为了保证驱动电路和主电

图２　　IGBT 驱动电路原理

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逆变电路原理图如图２所示，快速恢复二极管ＶＤ１－ＶＤ６与Ｑ１－Ｑ６并联，承受负载产生的反向电流以保护ＩＧＢＴ。ＩＧＢＴ１和ＩＧＢＴ６为一组，ＩＧＢＴ２和ＩＧＢＴ３为一组，ＩＧＢＴ４和ＩＧＢＴ５为一组，每组ＩＧＢＴ同时导通与关断。

在实际使用中，如果ＩＧＢＴ栅极回路不适合或者栅极回路完全不工作时，若在主回路上加上电压，则ＩＧＢＴ就会损坏，为防止这种情况，一般在栅极和发射极之间接一个１０Ｋ电阻Ｒ０，用来泄放ＩＧＢＴ结电容的电压。ＰＷＭ为ＡＲＭ微处理器芯片输出的驱动信号源，Ｒ１为驱动电路内阻；光耦ＨＣＰＬ－３１４Ｊ的作用是实现控制电路与主电路之间的隔离，传递ＰＷＭ信号；电阻Ｒ２作用是限制光耦输入电流；电容Ｃ１用以提高抗干扰能力；为了起到抗干扰作用，集成芯片的V 引脚和地线之间安

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脉冲信号进行处理。当控制电路输出的ＰＷＭ脉冲信号经驱动电路功率放大后，满足驱动ＩＧＢＴ的要求，进而驱动ＩＧＢＴ，产生的驱动波形如图３所示，其中ＣＨｌ为输入控制信号波形，ＣＨ２为输出驱动信号波形。当控制信号为低电平０时，驱动电路产生１５Ｖ左右的电压信号，可以有效地驱动ＩＧＢＴ的栅极使其开通；当驱动信号为高电平１时，驱动电路产生－５Ｖ左右的负电压，可以使ＩＧＢＴ有效关断。

４　　结束语

ＩＧＢＴ对驱动电路有较为严格的要求，驱动电路性能的优劣是其能否可靠工作、正常运行的关键所在，本文根据ＩＧＢＴ栅极驱动电路的特性及逆变电路的要求，设计了一个采用高速光耦ＨＣＰＬ－３１４Ｊ为核心的逆变电路ＩＧＢＴ驱动电路．本电路采用１５Ｖ单电源供电可产生＋１５Ｖ和－５Ｖ的驱动电压，从而实现ＩＧＢＴ快速地开通和关断，采用ＨＣＰＬ－３１４Ｊ进行信号隔离、放大以适合高频场合应用。经分析和实验，表明该电路具有简单、实用、可靠性高等优点，是一种较好的ＩＧＢＴ驱动电路。

装一个０．１μＦ的陶瓷电容Ｃ２；栅极与发射极间的二极管Ｄ１的用来钳制栅极与发射极之间的电压，确保ＩＧＢＴ安全可靠的工作。

驱动电路是将主控电路中产生的六个ＰＷＭ信号，经光电隔离和放大后，作为逆变电路的换流器件（逆变模块）提供驱动信号。逆变电路的三个上桥臂驱动电路是三个独立驱动电源电路，三个下桥臂驱动电路是一个公共的驱动电源电路。上图中，虚线部分为逆变电路的三个上桥臂中一个ＩＧＢＴ的驱动电路原理图（其余两个相同），该驱动电路的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它是将控制器ＬＭ３Ｓ３８９６２产生ＰＷＭ信号输出给光电耦合器ＨＣＰＬ－３１４Ｊ。当ＨＣＰＬ－３１４Ｊ输出端ＶＯ输出为高电平时，ＩＧＢＴ　Ｑ１的ＶＣＥ为１５Ｖ，Ｑ１导通。当ＨＣＰＬ－３１６Ｊ输出端ＶＯ输出为低电平时，Ｑ１的ＶＣＥ为－５Ｖ，Ｑ１关断。

参考文献：

［１］　朱玉琴，郑晓东，寥晓维．一种基于ＩＧＢＴ的逆变器的驱动电路设计［Ｊ］．陕西煤炭，２００８，（６）：３６．

［２］李振民，刘事明，张锐．ＩＧＢＴ驱动及保护电路研究［Ｊ］．电测与仪表，２００２，（６）：２０－２１．

［３］　Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃ．《ＨＣＰＬ－３１４Ｊ数据手册》［Ｚ］．２０００：１－５．

图３　IGBT 驱动波形图

脉冲输出部分包括脉冲整定部分和功率放大部分，在ＩＧＢＴ接收到光耦传送的信号后，由脉冲整定部分对

作者简介：张军（１９８４－），男，助理工程师，研究方向：自动化。

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