igbt驅動器是驅動igbt并對其整體性能進行調控的裝置，它不僅影響了igbt 的動態性能，同時也影響系統的成本和可靠性。驅動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統的可靠性。驅動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導致 igbt 和驅動器損壞。

　　一、igbt驅動器的結構形式及特點

　　目前供igbt使用的驅動電路形式多種多樣 ，各自的功能也不盡相同。從綜合的觀點看 ，還沒有一種十全十美的電路。 　從電路隔離方式看，igbt驅動器可分成兩大類，一類采用光電耦合器，另一類采用脈沖變壓器，兩者均可實現信號的傳輸及電路的隔離。 　下面以日本富士公司的 exb841 驅動器為例 ，簡單說明光電耦合驅動器的工作原理（見圖）。圖中 + 20v驅動電源通過r1 和v5 分為+15v及 + 5v兩部分。當來自控制電路的控制脈沖進入光電耦合器v1 后 ，放大器使v3 導通 ，gbt柵極即得到一個 +15v 驅動信號并導通。當控制信號消失后 ，v4 導通 ，此時igbt即得到一個 - 5v 的柵源電壓并截止。igbt在導通期間過流時 ，會脫離飽和狀態 ，此時uds升高。驅動器內的保護電路通過 v6 檢測到這一狀態后 ，一方面在 10μs 內逐步降低柵壓 ，使 igbt進入軟關斷狀態 ，另一方面通過光耦 v2 向控制電路發出過流信號。

　　光電耦合驅動器的最大特點是雙側都是有源的 ，由它提供的正向脈沖及負向封鎖脈沖的寬度可以不受限制 ，而且可以較容易地通過檢測 igbt通態集電極電壓實現各種情況下的過流及短路保護 ，并對外送出過流信號。目前國內外都趨向于把這種驅動器做成厚膜電路的形式 ，因此具有使用較方便 ，一致性及穩定性較好的優點。其不足之處是需要較多的工作電源。例如 ，全橋式開關電源一般需要四個工作電源 ，從而增加了電路的復雜性。驅動器中的光電耦合器盡管速度較高 ，但對脈沖信號仍會有 1μs左右的滯后時間 ，不適應某些要求較高的場合。光電耦合器的輸入輸出間耐壓一般為交流2500v ，這對某些場合是不夠的。例如 ，許多逆變焊機的輸出直接反饋到控制電路 ，而國家的有關標準卻規定焊機輸入輸出之間應能承受交流 電壓 從而給電路的設計增加了困4000v ，難。另外 一旦 燒壞 驅動器通常也隨之， igbt ，燒毀 從而增加了維修的復雜性及費用。

　　二、驅動電路的基本性能

　　IGBT器件的發射極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結構，直流電不能通過，因而低頻的靜態驅動功率接近于零。但是柵極和發射極之間構成了一個柵極電容CGs，因而在高頻率的交替導通和關斷時需要一定的動態驅動功率。小功率IGBT的CGs一般在10~l00pF之內，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容CGs較大，在1~l00pF，甚至更大，因而需要較大的動態驅動功率。

　　IGBT柵極電壓可由不同的驅動電路產生，柵極驅動電路設計的優劣直接關系到由IGBT構成的系統長期運行可靠性。正向柵極電壓的值應該足夠令IGBT產生完全飽和，并使通態損耗減至最小，同時也應限制短路電流和它所帶來的功率應力。

　　IGBT正柵壓VGE越大，導通電阻越低，損耗越小。但是，如果VGE過大，一旦IGBT過流，會造成內部寄生晶閘管的靜態擎柱效應，造成IGBT失效。相反如果VGE過小，可能會使IGBT的工作點落人線性放大區，最終導致器件的過熱損壞。在任何情況下，開通時的柵極驅動電壓，應該在12~20V之間。

　　當柵極電壓為零時，IGBT處于斷態。由于IGBT的關斷過程可能會承受很大的dv/dt，伴隨關斷浪涌電流，干擾柵極關斷電壓，可能造成器件的誤開通。為了保證IGBT在集電極-發射極電壓上出現dv/dt噪聲時仍保持關斷，必須在柵極上施加一個反向關斷偏壓，采用反向偏壓還可減少關斷損耗。反向偏壓應該在—5~—15V之間。理想的心鄒驅動再路應具有以下基本性能：

　　1）要求驅動電路為IGBT提供一定幅值的正反向柵極電壓VGE。理論上VGE≥VGE（th），IGBT即可導通；當VGE太大時，可能引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。正向VGE越高，IGBT器件的VGES越低，越有利于降低器件的通態損耗。但也會使IGBT承受短路電流的時間變短，并使續流二極管反向恢復過電壓增大。因此正偏壓要適當，一般不允許VGE超過+20V。關斷IGBT時，必須為IGBT器件提供—5~—15V的反向VGE，以便盡快抽取IGBT器件內部的存儲電荷，縮短關斷時間，提高IGBT的耐壓和抗干擾能力。采用反偏壓可減少關斷損耗，提高IGBT工作的可靠性。

　　2）要求驅動電路具有隔離的輸入、輸出信號功能，同時要求在驅動電路內部信號傳輸無延時或延時很小。

　　3）要求在柵極回路中必須串聯合適的柵極電阻RG，用以控制VGE的前后沿陡度，進而控制IGBT器件的開關損耗。RG增大，VGE前后沿變緩，IGBT開關過程延長；開關損耗增加；RG減小，VGE前后沿變陡，IGBT器件開關損耗降低，同時集電極電流變化率增大。較小的柵極電阻使得IGBT的導通di/dt變大，會導致較高的dv/dt，增加了續流二極管恢復時的浪涌電壓。因此，在設計柵極電阻時要兼顧到這兩個方面的問題。因此，RG的選擇應根據IGBT的電流容量、額定電壓及開關頻率，一般取幾歐姆到幾十歐姆。

　　4）驅動電路應具有過壓保護和dv/dt保護能力。當發生短路或過電流故障時，理想的驅動電路還應該具備完善的短路保護功能。

　　柵極驅動功率

　　IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅動負、正偏置電壓的差值△VGE、柵極總電荷Qc和工作頻率Fs的影響。驅動電路電源的最大峰值電流IGPK為

　　IGPK=±（△VGE/RG）

　　驅動電路電源的平均功率PAV為

　　PAV=AVCE×Qc×Fs

　　驅動電路電源應穩定，能提供足夠高的正負柵壓，電源應有足夠的功率，以滿足柵極對驅動功率的要求。在大電流應用場合，每個柵極驅動電路最好都采用獨立的分立的隔離電源。驅動電路的電源和控制電路的電源應獨立設置，以減小相互間的干擾，推薦使用帶多路輸出的開關電源作為驅動電路電源。

　　三、IGBT的驅動條件

　　嚴格地說，能否充分利用器件的性能，關鍵取決于驅動電路的設計。前面講過，理論上VGE≥VGE（th），IGBT即可導通；一般情況下VGE（th）=5~6V，當VGE增加時，通態壓降減小，通態損耗減小；但IGBT承受短路電流能力減小；當VGE太大時，可能引起柵極電壓振蕩，損壞柵極。當VGE減小時，通態壓降增加，通態損耗增加。

　　為使通態壓降最小，同時IGBT又具有較好的承受短路電流能力，通常選取VGE≥D×VGE（th），當VGE（th）為6V，系數D分別為1.5、2、2.5、3時，VGE則分別為9V、12V、15V、18V；通常柵極驅動電壓VGE取12~15V為宜，12V最佳。IGBT關斷時，柵極加負偏壓，提高抗干擾能力，提高承受dv/dt能力，柵極負偏壓一般為-10V。

　　在IGBT柵極驅動電路設計時，應特別注意導通特性、負載短路能力和dv GE/dt引起的誤觸發等問題。正偏置電壓VGE增加，通態電壓下降，導通能耗EON也下降，分別如圖2a和圖4-2b所示。若使VGE固定不變時，導通電壓將隨集電極的電流增大而增高；導通損耗將隨結溫升高而升高。

　　圖2 正偏置電壓VGE（ON）與VCE和EON的關系

　　a）VGE（ON）與VCE的關系b）VGE（ON）與EON的關系

　　IGBT柵極負偏電壓-VGE直接影響IGBT的可靠運行，負偏電壓增高時集電極的浪涌電流明顯下降，對關斷能耗無顯著影響，-VGE與集電極浪涌電流和關斷能耗EOFF的關系分別如圖3a和圖3b所示。柵極電阻RG增加，將使IGBT的導通與關斷時間增加；因而使導通與關斷能耗均增加。而柵極電阻減少，則又使di/dt增大，可能引發IGBT誤導通，同時RG上的損耗也有所增加。

　　圖3-VGE與集電極浪涌電流和關斷能耗EOFF的關系

　　a）-VGE與集電極浪涌電流關系b）-VGE與關斷能耗Eoff的關系

　　由上述不難得知：IGBT的特性隨柵極驅動條件的變化而變化，就像。雙極型晶體管的開關特性和安全工作區隨基極驅動而變化一樣。然而，對于IGBT來說，柵極驅動條件僅對其關斷特性略有影響。

　　柵極驅動電路的阻抗，除了引起電流下降時間延遲外，柵極電阻還影響開關損耗。柵極電阻減小時，總損耗將減小。導通損耗主要由MOSFET的特性決定，關斷損耗主要由少子決定，導通損耗比關斷損耗受柵極電阻的影響更大。為了減小dv/dt的影響，柵極通常應加人一個負偏壓。但是，這樣要求增加與高壓側開關器件隔離的電源。

　　柵極電壓的降低有助于控制IGBT承受短路電流的能力，降低柵極驅動電壓，能夠減小短路時的集電極電流和功耗。在IGBT柵極串人二極管、電阻網路，就能完成這種功能，并且響應時間小于1μs。在IGBT驅動電路設計應注意以下事項：

　　1） IGBT具有一個2.5~5V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBTr對柵極電荷非常敏感，故驅動電路的設計必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅動電路與IGBT的連線要盡量短。柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時，IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流Ic隨VGE增大而增大，可能使.IGBT出現擎住效應，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通區而進入線性放大區域，使IGBT過熱損壞；使用中選12V≤VGE≤18V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選-5V為宜。另外，IGBT開通后驅動電路應提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導通區而損壞。

　　2） IGBT快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關頻率不宜過大，因為高速開通和關斷時，會產生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。

　　3） 選擇合適的柵極串聯電阻RG和柵射電容CG對IGBT的驅動相當重要。RG較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小，會使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制dvce/dt，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗。合適的CG有利于抑制dic/dt，CG太大，開通時間延時，CG太小對抑制dic/dt效果不明顯。

　　4） 當IGBT關斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，而引起器件誤導通，為防止這種現象發生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，最好在柵射問并接兩只反向串聯的穩壓二極管，其穩壓值應與正負柵壓相同。

　　5） 用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓VGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT導通后，柵極驅動源應能提供足夠的功率，使IGBT因不退出飽和而損壞。

　　6） 驅動電路要能傳遞幾十kHz的脈沖信號。

　　7） 在大電感負載下，IGBT的開關時間不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰電壓，確保IGBT的安全。

　　8） 由于IGBT在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。

　　9） IGBT的柵極驅動電路應盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，并要求有較強的抗干擾能力。

　　四、柵極電阻Rg的作用

　　1、消除柵極振蕩

　　絕緣柵器件（IGBT、MOSFET）的柵射（或柵源）極之間是容性結構，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅動器驅動脈沖的激勵下要產生很強的振蕩，因此必須串聯一個電阻加以迅速衰減。

　　2、轉移驅動器的功率損耗 電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅動功率就將絕大部分消耗在驅動器內部的輸出管上，使其溫度上升很多。

　　3、調節功率開關器件的通斷速度

　　柵極電阻小，開關器件通斷快，開關損耗小；反之則慢，同時開關損耗大。但驅動速度過快將使開關器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產生較大的干擾，嚴重的將使整個裝置無法工作，因此必須統籌兼顧。

　　五、igbt驅動器如何選擇？

　　1 確定igbt門極容量

　　在設計和選購igbt 驅動器之前，必須首先知道igbt 的門極負荷q，這是一個十分重要的參數，但在igbt 的技術參數中生產廠家一般并不直接給出，而需要我們借助其它參數得到。igbt 具有mosfet 的輸入級，在igbt的技術資料中往往有一個參數ciss，一般我們把它叫作輸入電容，該電容的測試往往是在ugs=0，uos=25v，f=1mhz 的情況下進行，由于密勒效應， 該值往往比在ugs= o v 時要小，根據實踐經驗，igbt 的輸入電容一般滿足下面的公式 　cin≈5ciss 　一般simens 和 eupec 公司的igbt 滿足上述公式。知道了igbt 的輸入電容cin，門極的負荷可以由下面公式得到 q=∫oidt= cin △ u。 △ u 代表門極的驅動電壓，大多數的igbt 開通電壓+15v，關斷電壓-5v，因而△u= 2 0 v ， 如應用十分廣泛的e x b 8 4 1 系列。高電壓、大電流igbt 往往開通關斷均為15v，因而△ u= 3 0 v 。

　　2 開關頻率確定

　　開關頻率的大小不僅影響系統的控制精度，而且影響系統的整體性能，如運行效率，噪聲指標。開關頻率是所有電力電子變換器的一個重要參數。根據igbt 的門極容量，儲存在igbt 輸入電容中的能量可以計算得到每個脈沖周期柵極充放電各一次，因而驅動一只igbt 的功率為：f 為開關頻率。驅動器的平均輸出電流iout可以這樣得到：p=iout * △u 比較上面兩式q=iout / f 驅動器的平均電流在數據文檔可以找到，則igbt的最大允許開關頻率可以得到： 。

　　3 門極驅動電阻rg的選取

　　igbt的開關時間是由驅動器對igbt的輸入電容的充放電來控制，增加門極輸出電流，igbt 開通時間和關斷時間會相應縮短，開關損耗也會降低，rg主要是用來限制門極輸出的降值電流， rg可由下式確定： rg = △u / ipeak ipeak一般可以在驅動器數據文檔中找到。有些情況下，充放電峰值電流不同，門極電阻可以分別選取。

　　4 igbt驅動器的比較選擇

　　4.1 光電耦合和變壓器耦合式比較 　光電耦合隔離式采用直流電源，輸出脈沖寬度可調。通過檢測集電極電壓實現過電流保護。具有使用方便穩定性好的優點。缺點是雙側均采用電源，電路復雜。比如exb841驅動器，光電耦合器輸入與輸出之間耐壓一般較低為交流2500v，但實際使用中設備承受力不符合其條件，給使用帶來限制。另外，一旦igbt 燒壞，驅動器受到損壞給維修帶來不便且不經濟。 　變壓器耦合隔離式不用專設的電源，線路簡單， 輸入輸出間耐壓高， 成本低、響應快。缺點是igbt 關斷期間得不到持續的反向門極電壓，抗干擾能力差，且輸出脈沖寬度不可調，不能實現過電流保護，并且由于漏感的存在使繞組的繞制工藝復雜容易出現振蕩。

　　4.2 igbt 驅動器選擇 　目前市場上可見的驅動器：光電耦合隔離驅動器有日本富士exb841，國內落木源電子ka101，日本英達hr065等。變壓器隔離式驅動器有美國unitrode公司uc3724-3725系列，還有專用的用來驅動一個橋臂上2個igbt的美國ir公司的ir2110及國內落木源電子的kd303，還有德國西門子公司的skh121等。可供選用的范圍很廣，應用方便。但使用時應注意過電流問題， 比如exb841 系列驅動器，采用era34-10 型快速二極管， 導通電壓為3v ， 反向耐壓采用與igbt 相同的等級。可以實現自身過電流保護，但若igbt 過電流對其壽命是有影響的。解決辦法是： ①反串穩壓管， 限制igbt 的電流為200a，使工作穩定可靠且電路簡單;②采用電流傳感器進行直接限流。