0 引言
    隨著電力電子技術朝著大功率、高頻化、模塊化發(fā)展，絕緣柵雙極品體管(IGBT)已廣泛應用于開關電源、變頻器、電機控制以及要求快速、低損耗的領域中。IGBT是復合全控型電壓驅動式電力電子器件，兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點：輸入阻抗高，驅動功率小，通態(tài)壓降小，工作頻率高和動態(tài)響應快。目前，市場上500~3000V，800～l800A的IGBT，因其耐高壓、功率大的特性，已成為大功率開關電源等電力電子裝置的首選功率器件。

1 驅動保護電路的原則
    由于是電壓控制型器件，因此只要控制ICBT的柵極電壓就可以使其開通或關斷，并且開通時維持比較低的通態(tài)壓降。研究表明，IGBT的安全工作區(qū)和開關特性隨驅動電路的改變而變化。因此，為了保證IGBT可靠工作，驅動保護電路至關重要。

    IGBT驅動保護電路的原則如下。
    (1)動態(tài)驅動能力強，能為柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖；
    (2)開通時能提供合適的正向柵極電壓(12~15V)，關斷時可以提供足夠的反向關斷柵極電壓(一5V)；
    (3)盡可能少的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；
    (4)足夠高的輸入輸出電氣隔離特性，使信號電路與柵極驅動電路絕緣；
    (5)出現(xiàn)短路、過流的情況下，具有靈敏的保護能力。

    目前，在實際應用中，普遍使用驅動與保護功能合為一體的IGBT專用的驅動模塊。

2 集成驅動模塊
    為了解決IGBT的可靠驅動問題，世界上各廠家丌發(fā)出了眾多的IGBT集成驅動模塊。如日本富士公司的EXB系列，三菱電機公司的M57系列，三社電機公司的GH系列，美國國際整流器公司的TR系列，Unitrode公司的UC37系列以及國產的HL系列。以下是幾種典型的集成驅動模塊。

2.1 EXB841模塊的分析
    EX841高速驅動模塊為15腳單列直插式結構，采用高隔離電壓光耦合器作為信號隔離，內部結構圖如圖l所示，其工作頻率可達40 kHz，可以驅動400 M600 V以內及300 A/l200 V的IGBT管，其隔離電壓可達2500AC/min，工作電源為獨立電源20±1V，內部含有一5V穩(wěn)壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅動電壓，關斷時提供一5V的偏置電壓，使其可靠關斷。當腳15和腳14有10 mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT在1μs內導通；而當腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使IGBT關斷；若ICBT導通時因承受短路電流而退出飽和，Vce迅速上升，腳6懸空，腳3電位在短路后約3．5μs后才開始軟降。

    EXB841典型應用圖如圖2所示，電容C1、C2用于吸收高頻噪音。當腳3輸出脈沖的同時，通過快速二極管D1檢測IGBT的C—E間的電壓。當Vce>7V時，過流保護電流控制運算放大器，使其輸出軟關斷信號，在10μs內將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護電路，一旦產生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護信號輸出，經(jīng)過一定延時，以防止誤動作和保證進行軟關斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實現(xiàn)保護。

    缺點：EXB84l過流保護閥值過高，Vce>7V時動作，此時已遠大于飽和壓降；存在保護肓區(qū)；在實現(xiàn)止常關斷時僅能提供一5V偏壓，在開關頻率較高、負載過大時，關斷就顯得不可靠；無過流保護自鎖功能，在短路保護時其柵壓的軟關斷過程被輸入的關斷信號所打斷。

2．2 M57962L模塊的分析
    M57962AL是一種14腳單列直捕式結構的厚膜驅動模塊，其內部結構圖如圖3所示。它由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復位電路以及門關斷電路組成，驅動功率大，町以驅動600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模塊。

    M5796AL具有高速的輸入輸出隔離，絕緣電壓也可達到AC 2500V/min；輸入電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；內部有定時邏輯短路保護電路，同時具有延時保護特性；采用雙電源供電方式，相對于EXB84l來說，雖然多使用一個電源．但IGBT可以更可靠地通斷。

    典型應用圖如圖4所示。當驅動信號通過腳14和腳13時，經(jīng)過高速光耦隔離，由M57962AL內置接口電路傳輸至功率放大極，在M57962AL的腳5產生+15V開柵和一10V關柵電壓，驅動IGBT通斷。當腳1檢測到電壓為7V時，模塊認定電路短路，立即通過光耦輸出關斷信號，使腳5輸出低電平，從而將IGBT的G—E兩端置于負向偏置，可靠關斷。同時，輸出誤差信號使故障輸出端(腳8)為低電平，從而驅動外接的保護電路工作。延時2～3s后，若檢測到腳13為高電平，則M57962AL恢復工作。穩(wěn)壓管DZ1用于防止D1擊穿而損壞M57962AL，Rg為限流電阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以確?？煽客〝?。

    比較：與EXB841相比，M57962AL需要雙電源(+15V，一1OV)供電，外周電路復雜。而正是因為M57962AL可輸出一10V的偏壓，使得IGBT可靠地關斷；另外，M57962AL具有過流保護自動閉鎖功能，并且軟關斷時間可外部調節(jié)，而EXB84l的軟關斷時間無法調節(jié)。所以M57962AL較EXB841更安全、可靠。

2.3 HL402模塊的分析
    HL402是17腳單列直插式結構，內置有靜電屏蔽層的高速光耦合器實現(xiàn)信號隔離，抗干擾能力強，響應速度快，隔離電壓高。它具有對IGBT進行降柵壓、軟關斷雙重保護功能，在軟關斷及降柵壓的同時能輸出報警信號，實現(xiàn)封鎖脈沖或分斷主回路的保護。它輸出驅動電壓幅值高，正向驅動電壓可達15～17V，負向偏置電壓可達10～12V，因而可用來直接驅動容量為400A/600V及300A/1200V以下的IGBT。

    HL402結構圖如圖5所示。圖5中，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器，它用來實現(xiàn)與輸入信號的隔離。由于它具有靜電屏蔽，因而顯著提高了HL402抗共模干擾的能力。圖5中U1為脈沖放大器，S1、S2實現(xiàn)驅動脈沖功率放大，U2為降柵壓比較器，正常情況下由于腳9輸入的IGBT集電極電壓VCE不高于U2的基準電壓VREF，U2不翻轉，S3不導通，故從腳17和腳16輸入的驅動脈沖信號經(jīng)S2整形后不被封鎖。該驅動脈沖經(jīng)S2、S2放大后提供給IGBT使其導通或關斷，一旦IGBT退飽和，則腳9輸入集電極電壓給IGBT使其導通或關斷，并且腳9輸入的集電極電壓采樣信號VCE高于U2的基準電壓VREF，比較器U2翻轉輸出高電平，使S3導通，由穩(wěn)壓管DZ2將驅動器輸出的柵極電壓VGE降低到10V。此時，軟關斷定時器U3在降柵壓比較器U2翻轉達到設定的時間后，輸出正電壓使S4導通，將柵極電壓軟關斷降到IGBT的柵射極門限電壓，給IGBT提供一個負的驅動電壓，保證IGBT可靠關斷。

    HL402典型應用圖如圖6所示。在實際電路中，C1、C2、C3、C4需盡可能地靠近H1402的腳2、腳l、腳4安裝。為了避免高頻耦合及電磁干擾，由HL402輸出到被驅動IGBT柵射極的引線需要采用雙絞線或同軸電纜屏蔽線，其引線長度不超過1m。腳9和腳13接至IGBT集電極的引線必須分開走，不得與柵極和發(fā)射極引線絞合，以免引起交叉干擾。光耦合器L1可輸入脈沖封鎖信號，當L1導通時，HLA02輸出脈沖立即被封鎖至-10V。光耦合器L2提供軟關斷報警信號，它在軀動器軟關斷的同時導通光耦合器L3，提供降柵壓報警信號。使用中，通過調整電容器C5、C6、C7的值，可以將保護波形中的降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關斷斜率時間調整至合適的值。在高頻應用時，為了避免IGBT受到多次過電流沖擊，可在光耦合器L2輸出數(shù)次或1次報警信號后，將輸入腳16和腳17間的信號封鎖。

    小結：以上三者中，M57962AL和HL402都采用陶瓷基片黑色包裝，EXB841采用覆銅板黃色包裝，由于陶瓷基片的散熱性能和頻率特性比覆銅板好，HL402的負載能力和散熱性能最好，加之合理的布局設計，在三者中的工作頻率最高，保護功能最全，而EXB841和M57962AL都沒有降柵壓保護功能。另外，HL402和M57962AL提供負偏壓的穩(wěn)壓管，放于外部，既有靈活性又提高了可靠性，而EXB841的穩(wěn)壓管在內部，經(jīng)常因穩(wěn)壓管的損壞而失效。因此，HL402憑借其優(yōu)越的性能可以彌補另外兩者的缺陷。

2．4 GH-039模塊的分析
    GH-039采用單列直插式12腳封裝，功耗低、工作中發(fā)熱很小，可以高密度使用它采用單電源工作，內置高速光耦合器，帶有軟關斷過流保護電路，過流保護除閉鎖自身輸出外，還給出供用戶使用的同步輸出端。它可以用來直接驅動300A/600V以下的IGBT模塊。

    其內部結構圖如圖7所示，工作原理與EXB和M57系列模塊相類似，這里不再贅述。而與EXB系列和M57系列的模塊不同的是該模塊已含有保護后發(fā)送報警或動作信號的光耦合器，所以使用中不需要像EXB和M57系列的模塊外接光耦合器，因而更加方便，其性能比EXB和M57系列的模塊在保護性能上更加優(yōu)越；在可靠性方面，由于GH-039是單電源供電，不能提供負偏壓，從而導致ICBT不能可靠地關斷。與HL402相比，CH-039保護功能還不完善，它也同EXB841和M57962AL一樣無降柵壓保護。因此，GH-039驅動模塊也是有缺陷的。

    GH-039典型接線圖如圖8所示。工作電源VCC為26V；為了保持電壓穩(wěn)定，濾波電容器應盡可能靠近GH一039模塊安裝和使用，且其電容值不能小于10μF，并應選用高質量的電容；串入GH-039腳12與ICBT集電極之間的二極管D1，應選超快速恢復二極管，并且要保證其反向耐壓不低于ICBT的集電極與柵極之間的額定電壓；為防止所連接的過流保護端子光電隔離器的誤動作，應在D1與GH一039的腳12之間串入100Ω的電阻；接于腳lO與腳12之間的D2選用超快速恢復二極管，其反向耐壓可以低于IGBT的集射極間耐壓。

2．5 其他驅動器
    (1)IR系列驅動器 IR系列驅動器主要是為驅動橋臂電路而設計的，該芯片具有14腳，DIP封裝。它具有過流保護和欠壓保護功能，特別是它具有自舉浮動電源大大簡化了驅動電源的設計，只用一路電源即可驅動多個功率器件。其缺點是本身不能產生負偏壓，當用于驅動橋式電路時，由于米勒效應的作用，在開通與關斷時刻，容易在柵極上產生干擾，造成橋臂短路；另外IR系列驅動器采用了不隔離的驅動方式，在主電路的功率器件損壞時，高壓可能直接串入驅動器件，致使驅動模塊及前極電路損壞。
    (2)UC37系列驅動器 該系列驅動器一般由UC3726和UC3727兩片芯片配對使用，其工作頻率較高，但在兩芯片之間需增加脈沖變壓器，給電路的使用和設計帶來不便，因此該系列驅動器在我同并未得到推廣。

3 結語
    通過以上分析比較，可得到如下結論。
    (1)以上6個系列的驅動器均能實現(xiàn)對IGBT的驅動與保護；
    (2)EXB84l外周電路簡單，僅需單電源供電，是最早進入我國市場的ICBT驅動模塊，技術成熟，應用廣泛；
    (3)EXB841與M57962AL在IGBT關斷期間均能在柵極上施加負電壓，進一步保證了IGBT的可靠關斷；
    (4)EXB841、M57962AL、GH一039和HL402都是自身帶有對IGBT進行退飽和及過流保護功能的ICBT驅動模塊，且都是通過檢測IGBT集射極間的電壓來完成保護功能的。但EXB841、M57962AL、GH一039在ICBT出現(xiàn)退飽和或過流時，僅可進行軟關斷的保護。而HL402不但能進行軟關斷保護，還可進行降柵壓保護。因此，HL402是四者中保護功能最強，保護功能設計最合理和保護性能使用最方便的IGBT驅動器；
    (5)驅動相同個數(shù)的IGBT功率開關時，IR系列所需工作電源最少，但不具有負偏壓，容易造成橋臂短路，適用于小功率驅動場合。