1 引言
IGBT是MOSFET和双极晶体管的复合器件，它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管高电压、大电流等优点[1]。正常清况下工作频率为几十千Hz，多用在频率较高的应用场合，中、大功率应用占据着主导地位。性能优良的驱动是保证IGBT高效、可靠工作的必要条件。在设计工作中IGBT的驱动电路是电路设计的难点和关键。传统的由分立元件构成的IGBT驱动电路可靠性和性能比较差，实际应用中大多采用厚膜驱动与专用集成驱动电路的形式。本文采用的是厚膜集成驱动TX-K841L。
2 IGBT驱动电路要求
2.1 IGBT开通要求[2]
理论上VGE≥VGE（th）时IGBT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。典型值一般为+15V。
2.2 IGBT关断要求[3]
关断IGBT时，必须为IGBT器件提供-5~-15V的反向电压VGE，以便尽快抽取IGBT器件内部存储的电荷，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工作时的可靠性。典型值一般为-5V。
2.3 栅极电阻要求[4]
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的前、后沿变缓，IGBT的开关过程延长，开关损耗增大；RG减小，VGE的前、后沿变陡，IGBT器件的开关损耗降低，同时集电极变化率增大。较小的栅极电阻使得IGBT导通时的di/dt变大，会导致较大的dv/dt，增大了续流二极管的恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极电阻时要兼顾到这两方面的问题。因此RG的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧到几十欧。
2.4 IGBT的保护[1]
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。
3 目前常用IGBT存在的不足[6]
目前，IGBT应用领域的驱动方案很多，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率IGBT驱动保护电路专用产品，许多公司都设计制造了专用的IC芯片，如三菱公司的M579×××系列（如M57962L和M57959L）、富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）等，但EXB841主要有以下缺点：①关断负电压为-5V且不可调。但-5 V关断电压往往不能实现大功率IGBT快速可靠关断的要求；②集射极电压保护阈值过高且不可调。EXB841的集射极电压保护阈值在7. 5 V左右，远高于IGBT器件的饱和压降，实践证明，此值过高；③慢关断时间无法调节。而M57962的主要缺点是它需要两个供电电源，这样不仅增加了驱动电路的复杂性，也增加了驱动电路的不可靠性。而且它适用的最大开关频率为20kHz，在追求高开关频率的场合下此开关频率可能达不到要求。
4 新款IGBT驱动器—TX-K841L[7]
针对3存在的不足，这里提出一款新型的IGBT驱动器TX-K841L，如图1所示。它是采用单电源供电的单管大功率IGBT模块，可根据用户需要设定IGBT的短路阈值电压、保护盲区时间、软关断斜率、故障后再次启动的时间以及提供了与微机故障保护的应用接口。而且它使用单一电源，电源电压可在20～25V间，用户选择范围宽。驱动器内部设有负压分配器，减少了外部元器件。
图1 TX-K841L原理框图
4.1 TX-K841L驱动应用电路
TX-K841L的驱动应用电路如图2所示。驱动器的工作电压Vp= 20～25V。滤波电容Cc、Ce、Cp可用22～47μF电解电容、再各并联一个1μ左右的Cbb无感电容，耐压均≧25V，再经过一个电阻Re到COM端，防止IGBT开关影响到驱动器内部电源。
隔离反馈二极管Dhv应选用高压快恢复管，如HER107、FUR1100等，输入光耦的信号电流应在10mA左右，Ri=(Vim－1.5)/10mA，Vim为输入PWM信号峰值，1.5V为驱动器内部压降。当PWM IC的供电电压为15V时，可取Ri=1.2KΩ。Ci为加速电容，可取470pF。
栅极电阻Rg 取值 2.2～15Ω。Rge主要是保护IGBT的米勒电容产生的米勒效应。一般可选 Rge≧4.7 KΩ/0.25W。6脚是IGBT的过流检测端，其中 Dhv是检测集电极的电压以达到检测 IGBT 过流的目的。此二极管的耐压不能太低，一般按直流母线电压承受耐压值的1.5～2倍值选取。
在6脚的快恢复二极管Dhv回路中串联一个稳压管Dz可以降低过流保护的阈值。Vn与Vp有关，Vn＝30.5-Vp，这里Vp取典型值为24V。驱动器应用时的实际保护阈值Vn`＝30.5-Vp－Vdz－Vhv≈5.5-Vdz；其中Vdz是稳压管Dz的稳压值，Vhv是快恢复管Dhv的正向压降，大致为1V。
图2 TX-K841L外围典型应用电路
软关断开始的时刻，驱动器的5脚输出低电平报警信号，可以接一个光耦，将信号传送给控制电路。实际中 R2 的选择一定要合适，要考虑到5脚输出的低电平接近于负电源Vee，防止它两端的电压计算错误。这里取R2=（Vcc-2）/10mA（2V驱动器内部压降，10mA为其流过的电流），若Vcc=15V，R2=1.2KΩ。
5 实验测试及其输出波形分析
5.1 正常输入输出波形的测试
正常输出波形的测试主要测试驱动器正常情况下的输出幅值，以确定驱动器的驱动性能。设置PWM输出频率为80kHz，占空比为0.24的矩形波信号。此时K841L的输入输出如图3所示。
图3 PWM输入经K841L驱动输出的波形
由图3可以看出，K841L输出正电平约为16V，负电平约为-8.5V。这使得K841L能很好地实现IGBT正常工作时的开通与关断。
5.2 短路时的输入输出波形的测试
5.2.1 逐波过流时的波形测试
测试K841L在瞬间短路时的如何判断短路及如何处理，测试电路如图4所示。
图4 K841L保护功能测试原理图
故障后再启动电容Creset＝10nF，Dhv是高反压快恢复管，限流电阻Rlimit可取100R，电容C＝220uF。示波器可在驱动器的输入和输出端监测。用手工来短路A、B两点，考虑到有的IGBT在这种情况下时间长了仍有可能过热烧毁，接入10nF的Creset后，则为约12ms短路一次，以确保IGBT的安全。
图5 经 K841L瞬间短路时的保护波形
测试时，PWM频率f=25kHz，占空比仍为0.24。图5是其短路一次时K841L输出的波形：
从图5可看出，K841L的输出先是有一段4.4 uS盲区时间（可通过驱动器10脚外接电容进行设置），而后进入也有4.4 uS的软关断（可通过驱动器11脚进行设置）。软关断开始后，驱动器封锁输入PWM信号，即使PWM信号变成低电平，也不会立即将输出拉到正常的负电平，而要将软关断断过程进行到底，软关断终止后的电压约为-3V。从图5可看出，在IGBT发生逐波过流时，K841L能很好地保护IGBT不被损坏。
5.2.2 连续过流时的波形测试
连续过流主要测试IGBT长时间短路时，驱动器对短路的判断和处理情况。由于IGBT能承受的短路时间是很短的（大约10uS），所以一般要求驱动器在判断IGBT短路并动作的一段时间后将驱动器源信号的闭锁解除。连续过流测试电路同图4测试。
图6经 K841L连续过流时的保护波形
PWM输出1kHz矩形波信号，短接A、B两点，记录K841L的输出波形如图6所示，K841L自身带有短路动作再启动功能，并且再启动时间可调（其复位时间Trst=0.92mS）。从图中可以看出，IGBT连续过流时，K841L能在再启动时间内闭锁控制器的输出，而后重新开放。
6 结论
本文针对目前广泛使用的IGBT驱动器的缺陷，研究了专用的高速大功率IGBT驱动模块TX-K841L，并给出了其典型的应用电路，通过实验结果进一步表明K841L能很好地驱动IGBT，当IGBT发生短路故障时，能可靠地改变输出，同时通过光耦给控制器发出故障信号，从而保护IGBT不被损坏。因此验证了此驱动器的可靠性与稳定性，也为其相关设计积累经验。
目前此类驱动器已成功应用在逆变器、不间断电源、变频器、电焊机、伺服系统及轨道交通等领域[8]。
参考文献
[1] 周志敏，纪爱华.高效功率器件驱动与保护电路设计及运用实例[M].北京：人民邮电出版社，2009.
[2] 王强，刘浩，陈军.IGBT驱动保护电路的改良设计[J].电子工程师，2004，30：41~43.
[3] 王磊，黄先进，郑琼林.IGBT驱动电路模块化设计[J].变频器世界，2007，12:39~41.
[4] 曾繁玲. IGBT驱动与保护电路的研究[J].仪表技术，2007，7：61~63.
[5] 蔡兵，王培元.大功率IGBT驱动过流保护电路研究[J]. 襄樊学院学报，2005，26：60~62.
[6] Allen R. Hefner, Jr. An Investigation of the Drive Circuit Requirements for the Power IGBT，IEEE Transactions On Power Electronics，1991，6(2):208218.
[7] TX-K841L IGBT驱动模块说明书，北京落木源电子技术有限公司。
[8] 康劲松，郎玉峰.IGBT集成驱动模块的应用研究[J].电工技术杂志，2000（5）.
