1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目： 基于集成驱动电路的IGBT驱动电路设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化124班 学 号： 120302098 学生姓名： 李晓晨 指导教师： （签字）起止时间：2014.12.29-2015.01.09本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 120302098 学生姓名 李晓晨 专业班级 自动化124课程设计（论文）题目基于集成驱动电路的 IGBT 驱动电路设计课程设计（论文）任务课题完成的功能：本课程设计利用集成驱动电路实现绝缘栅双极晶体管 IGBT 的驱动电路设
2、计。设计任务及要求：（1）根据给出的绝缘栅双极晶体管 IGBT 的额定数据，利用集成驱动电路（如EXB841、M57962L 等）实现 IGBT 的外围驱动电路设计。（2）要求为 IGBT 提供一定幅值的正反向栅极电压 。GEU（3）驱动电路要具有隔离输入、输出信号的功能。（4）要求控制好 的前后沿陡度，控制好 IGBT 的开关损耗。GEU（5）具有过电压保护和 du/dt 保护能力。（6）具有完善的短路保护能力。（7）撰写课程设计说明书（论文） 。技术参数：绝缘栅双极晶体管 IGBT 的额定电压 1200V，额定电流 400A，最大开关频率 20kHz，驱动电压+15V，关断电压-5V 。进
3、度计划 （1）布置任务，查阅资料，确定系统的组成（2 天）（2）对系统各组成部件进行功能分析（3 天）（3）系统电气电路设计及调试设计（3 天）（4）撰写、打印设计说明书及答辩（2 天）本科生课程设计（论文）II注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要介绍了绝缘栅双极型晶体管 IGBT（Insulated Cate Bipolar Transistor）器件驱动电路设计的一般要求，对 EXB 841 芯片的工作过程作了深入的分析，研究了 EXB 841 对 IGBT的开通和关断以及过流保护的原理，指出了用 EXB 841 直接驱动 IGBT 时存在的问题和不足，主要
4、是过流保护的阀值太高，关断不可靠及在软关断时没有对外部输入信号进行封锁 。同时，提出了针对这些不足在设计驱动电路时应当采取的几种有效方法。最后，运用 EXB 841 及其他器件设计和优化了一个 IGBT 的驱动电路，该驱动电路通试验证明能 够有效地对 IGBT 器件进行驱动和过电流保护。关键词：绝缘栅双极型晶体管；EXB 841；驱动电路指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）III目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 课程设计的方案 .32.1 概述 .32.2 系统组成总体结构 .3第 3 章 IGBT 驱动电路设计 .43
5、.1 IGBT 驱动电路设计要求 .53.2 EXB 841 的控制原理 .53.3 EXB 841 存在的不足与改进 .7第 4 章 基于 EXB 841 驱动电路设计、优化 .94.1 IGBT 驱动电路及故障信号封锁电路设计 .94.2 IGBT 驱动电路优化 .11第 5 章 课程设计总结 .13参考文献 .14本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论80 年代初期，用于功率 MOSFET 制造技术的 DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到 IGBT 中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用 PT（穿通）型结构的方法得到了在参数
6、折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的 n+缓冲层而进展的。几年当中，这种在采用 PT 设计的外延片上制备的 DMOS 平面栅结构，其设计规则从 5 微米先进到 3 微米。90 年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的 IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类
7、似的改善。这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通” （SPT）或“电场截止” （FS）型技术，这使得“成本 性能”的综合效果得到进一步改善。1996 年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第 5 代 IGBT 模块得以实现，它采用了弱
8、穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型” （逆阻型）功能或一种“反向导通型” （逆导型）功能的 IGBT 器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。经过 20 多年的发展，IGBT 表现出了很强的生命力，其开关性能经历五代改进也日臻完善。同时，IGBT 的容量等级也在快速提升，单管电压已 6500V，无均流并联电流已 3300 A，已成为基本上取代了 GTR，并在很多应用领域挑战 GTO 的电力半导体开关器件。驱动电路的结构和参数会对 IGBT 的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗 du/dt 的能力等。因此，根据
9、IGBT 的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥 IGBT 的性能是十分重要的。本科生课程设计（论文）2功率器件的不断发展使其驱动电路也在不断地发展，相继出现了许多专用的驱动集成电路。IGBT 的触发和关断要求给栅极和发射极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下因素进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性的要求等。IGBT 的驱动电路是 IGBT 与控制电路之间的接口，它对 IGBT 的正常运行具有非常重要的影响。采用一套性能良好的驱动电路可缩短开关时间，减小开关损耗，使 IGBT工作在较理想的开关状态下，同时对电源的运
10、行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，一套性能良好的驱动电路由于本身具有多种保护措施，可以防止运行中的一些意外冲击而损坏 IGBT。因此驱动电路的选择和设计显得尤为重要。IGBT 作为功率电源的主要电力电子器件，其栅极驱动电路设计的优劣直接关系到由 IGBT 构成的系统长期运行的可靠性。只有设计合理的 IGBT 驱动电路，才能保证 IGBT 的可靠运行。本科生课程设计（论文）3第 2 章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，运用 EXB841 及其他器件设计和优化了一个 IGBT 的驱动电路。能够较全面地巩固和应用“电力电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初
11、步掌握利用 IGBT 设计的基本方法。应用场合: 随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模块化发展,绝缘栅双极晶体管(IGBT)已广泛应用于开关电源、变频器、电机控制以及要求快速、低损耗的领域中。IGBT 是复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有 MOSFET 和 GTR 的优点:输人阻抗高,驱动功率小,通态压降小,工作频率高和动态响应快。目前,市场上 5003000V，8001300A 的 IGBT，因其耐高压、功率大的特性，已成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件。2.2 系统组成总体结构图 2.1 系统结构图EXB 841 存在过流保护无自锁功能等问题，再结合这些问题设计了驱动电路
12、并对其进行了优化。设计一个保护电路对 IGBT 进行有效的驱动、控制和过电流保护。使其正常工作，保护电路中的器件不被损坏。主电路 电压信号 保护电路驱动电路本科生课程设计（论文）4第 3 章 IGBT 驱动电路设计绝缘栅双极型晶体管 IGBT（Insulated Cate Bipolar Transistor）是一种由双极晶体管与 MOSFET 组合的器件，它既具有 MOSFET 的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用。但是 IGBT 的门极驱动电路影响 IGBT 的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及
13、等参数，决定了 IGBT 的静态/ 与动态特性。因此，在使用 IGBT 时，最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。IGBT 的等效电路如图 3.1 所示。由图 1 可知，若在 IGBT 的栅极 G 和发射极E 之间加上驱动正电压，则 MOSFET 导通，这样 PNP 晶体管的集电极 C 与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若 IGBT 的栅极和发射极之间电压为 0V，则 MOS截止，切断 PNP 晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT 与 MOSFET 一样也是电压控制型器件，在它的栅极 G发射极 E 间施加十几伏的直流电压，只有在 uA 级的漏电流流过，基本上不消耗功率。IGBT
14、 模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。图 3.1 (a) 为 IGBT 等效电路图 (b)为 IGBT 电气符号本科生课程设计（论文）5使用中当 IGBT 模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用 IGBT 模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降温等使用。3.1 IGBT 驱动电路设计要求 (1).动态驱动能力强，能为 IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则 IGBT 会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。(2）.能向 IGBT 提供适当的正向和反向栅压
15、。一般取+15V 左右的正向栅压比较恰当，取-5V 的反向栅压让 IGBT 能可靠截止。(3).具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。 IGBT 栅极极限电压一般为20V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。(4).当 IGBT 处于负载短路或过流状态时，能在 IGBT 允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流，实现 IGBT 的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择合适的栅极电阻 Rg和Rge以及要有足够的输入输出电隔离能力，要能够保证输入输出信号无延时，同时要保证当 IGBT 损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。EXB841
16、 是 300A/1200V 快速型 IGBT 驱动专用模块，整个电路延迟时间不超过1s，最高工作频率达 40 一 50kHz，它只需外部提供一个+20V 单电源，内部产生一个一 5V 反偏压，模块采用高速光耦合隔离，射极输出。有短路保护和慢速关断功能.EXB841 主要由放大、过流保护、5V 基准电压和输出等部分组成。其中放大部分由 TLP550,V2,V4,V5和 R1,C1,R2,R9组成，TLP550 待改进。起信号输人和隔离作用，V 2是中间级，V 4和 V5组成推挽输出;短路过流保护部分由 V1,V3,V6,VZ1和C2,R3,R4,R5,R6,C3,R7,R8,C4等组成，实现过流
17、检测和延时保护功能。EXB841 的 6脚通过快速恢复二极管接至 IGBT 的 C 极，检测 IGBT 的集射之间的通态电压降的高低来判断 IGBT 的过流情况加以保护;5V 电压基准部分由 R10,VZ2,C5组成，为IGBT 驱动提供一 5V 反偏压。日本 FUJI 公司的 EXB 841 芯片具有单电源、正负偏压、过流检测、保护、软关断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，在国内得到了广泛应用。本科生课程设计（论文）63.2 EXB 841 的控制原理EXB 841 工作原理如图 3.2 所示（图中 V1G即为 IGBT 管，下图同；V 1S为光耦 IS01）。图 3.2
18、 EXB 841 的工作原理图(1). 正常开通过程当 EXB 841 输入端脚 14 和脚 15 有 10mA 的电流流过时，光耦 IS01 导通，A点电位迅速下降至 0V，V 1和 V2截止；V 2截止使 D 点电位上升至 20V，V 4导通，V 5截止，EXB 841 通过 V4及栅极电阻 Rg向 IGBT 提供电流使之迅速导通。(2). 正常关断过程控制电路使 EXB 841 输入端脚 14 和脚 15 无电流流过，光耦 IS01 不通，A点电位上升使 V1和 V2导通；V 2导通使 V4截止、V 5导通，IGBT 栅极电荷通过 V5迅速放电，使 EXB 841 的脚 3 电位迅速下降至 0V（相对 EXB 841 脚 1 低 5V），使IGBT 可靠关断。(3). 保护动作
