绝缘栅双极型晶体管电路设计

分类：电力论文发表 时间：2020-06-13 11:53 关注：(1)

　　随着科学技术的不断发展，绝缘栅双极型晶体管的应用范围也在不断拓展延伸。然而，由于电子元器件反并联二极管及杂散电感等客观因素的存在，绝缘栅双极型晶体管在开关过程中的电流过冲、电压过冲以及开关损耗等问题尤为明显。为此，设计一种绝缘栅双极型晶体管有源栅极前馈驱动电路，实现对栅极电压的实时调控，有效降低绝缘栅双极型晶体管开关过程中的过冲电压、过冲电流等。

　　关键词：绝缘栅双极型晶体管;电流过冲;有源栅极前馈驱动电路

　　随着科学技术的不断发展，绝缘栅双极型晶体管(以下简称IGBT)的应用范围也越来越广泛。在实际应用中，由于IGBT导线布线和电子元器件等部分存在分布电感，当其开关频率较高时，若是出现杂散电感，那么杂散电感的两端便会产生高电压，进而导致IGBT产生过冲电流和过冲电压。该问题不仅会影响到IGBT的使用寿命，还会影响到IGBT的可靠性。因此，完成IGBT有源栅极前馈驱动电路设计，有效解决以上问题，具有极为重要的现实意义。

　　1、IGBT基本结构与特性

　　在经过了多年的研究发展以后，如今的IGBT已经集GTR器件与MOSFET的优点于一身，这也使得其有着输入阻抗高、饱和压较低、驱动电路简单、驱动功率低、热稳定性良好等优点。也正是基于IGBT的诸多优点，其在如今已经逐步取代了GTR和GTO的地位，并占据了大部分MOSFET市场，并且随着IGBT的不断发展，这种趋势也越来越明显。图1IGBT内部结构图IGBT的研究发展最早起源于VMOS场效应管。所以从某种意义上来说，IGBT也是一种场效应晶体管，只不过与其他大部分MOSFET有所不同的是，IGBT在漏极与漏区中引入了一个P+型层，进而在漏区和亚沟道区形成一个PNP结构。在整个结构中，MOSFET会作为输入极，并使IGBT具有高开关频率的特性，而PNP则会作为输出极，使IGBT可以在输出的时候通过PNP进行导通减压，让其有饱和压低的优点。具体IGBT内部结构如图1所示。与传统的MOSFET功能特性一致的是，IGBT也需要在栅极加入驱动信号来增强控制器开关效果。具体电路电气图如图2所示

　　2、IGBT有源栅极前馈驱动电路总体结构设计

　　在现有的IGBT驱动电路设计研究内容基础上，提出了一种新型的IGBT有源栅极前馈驱动电路总体结构设计，具体设计结构如图3所示。整个设计由控制与信号转换电路、双脉冲信号电路、信号隔离电路、电平转换电路、开拓前馈电路以及关断前馈电路等共同组成。其中开拓前馈电路和关断前馈电路两者可以实时调节IGBT的栅极电压，从而有效抑制IGBT开关过程中电压过冲以及电流过冲的产生。另外，还在前馈电路中设计了截波电路，该设计不仅可以有效抑制正反馈的引入，而且还可以改善IGBT的开关效果，达到降低功耗的目的。

　　3、控制与信号转换电路

　　本设计的控制与信号转换电路的主要作用是提供脉冲信号、比较信号、复位信号、故障报警信号等信号内容，并会对后续的电路运行效果造成影响。因此，为最大限度保障控制与信号转换电路的实际效果，还需要结合本设计的实际情况，选择合适的控制芯片。当今电力电子领域中应用较为广泛的控制芯片主要分为SCM、DSP、FPGA三类。其中SCM具有芯片尺寸小、电路简单、价格低廉等优点;DSP有着控制简单、编程容易、抗干扰性强等优点;FPGA具有性能强劲、运行功耗低、实际功能较为齐全等优点。但在实际应用过程中SCM有着存储容量小、实际运行速度慢的缺点，FPGA也有着价格较为昂贵、编程难度比较大等缺点[1]。因此，在进行多方面综合考虑以后，本研究最终选择了DSP类芯片。该款芯片为TI公司TMS320C2000系列中的TMS320F28335控制芯片。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法且无须在处理小数操作上耗费过多的时间和精力。与传统的定点DSP芯片相比较该芯片有着精度高、成本低、功耗小、性能好、外设集成度高、数据及程序储量大、A/D转化更加精确快速等优点。在实际设计中，将DIR端接地，将B端作为输入端、A端作为输出点，从而实现对高电平信号的转换效果。

　　4、双脉冲信号电路

　　本研究所设计的双脉冲信号电路为双脉冲信号发生电路，即将原本的连续脉冲设置为只有两个周期的输出脉冲。相比传统的双脉冲信号电路设计来说，本研究所设计的双脉冲信号发生电路稳定性更强，在对IGBT的特性结论仿真模拟过程中也更加不容易损坏，有着较强的实用性。本研究所设计的双脉冲信号发生电路主要由MOSFET、非门、与门以及JK触发器四部分所组成，并且因为本设计中使用了74LS73信号的芯片，使得本研究所设计的双脉冲信号发生电路有效良好的型号响应能力，使其能够最快地对IGBT所发出的连续脉冲信号进行仿真处理。

　　5、信号隔离电路

　　现如今，应用范围比较广的信号隔离设备主要有光耦隔离、光纤隔离以及脉冲隔离三类，三类信号隔离电路都有着各自的优缺点，在实际设计过程中，还需要进行综合考虑后再选择。其中光耦隔离与传统的信号隔离技术相比较，其共模抑制比和隔离电压等级更高，并且还有着占空比可调节的优点，使得光耦隔离技术在如今的应用范围也在不断扩大。但在实际应用过程中，光耦隔离技术却表现出了控制精度低、前后沿延迟时间长等缺点，所以在如今高频化工业中应用比较少。而光纤隔离在近些年的发展速度比较快，并在如今出现了全光纤型光隔离器、块状光纤隔离器以及偏振无关光隔离器等新型信号隔离设备。但由于该类隔离器的价格都比较昂贵，所以在驱动电路中的应用并不是很广泛[2]。脉冲隔离则是通过磁场来传递能力，并以此来实现初级线圈输入与次级线圈输出的电气信号隔离，相比另两类信号隔离设备来说，脉冲信号隔离设备有着传输延时短、集成度高、价格低廉等优点，所以其在如今的高频化IGBT驱动电路中得到了广泛应用。但在实际应用过程中，脉冲信号隔离器的铁芯会因为励磁电流的增大等发热，严重的时候甚至可能会导致脉冲信号隔离器出现损坏的情况。在对三类信号隔离设备进行综合考虑后，本设计最终采用了脉冲信号隔离器作为本设计的信号隔离电路，但为了能够改善脉冲信号隔离器铁芯发热的问题，本设计在PWM信号进入初级线圈时先调制成窄脉冲信号，然后在完成次级线圈输出以后，在经过调解电路复原成为PWM信号，从而有效解决脉冲信号隔离器铁芯发热的问题。

　　6、电平转换电路

　　PWM信号在经过调解电路复原以后，其实际脉冲幅值一般会处于0～5V，然而该种脉冲幅值却无法直接用于对IGBT的驱动，还需要进行幅值转换，而电平转换电路便是起到该作用。在实际设计过程中，为能够有效改善IGBT的开关时间，从而降低电子元器件的损耗问题，本研究最终所设计的IGBT驱动电路的正向偏置电压为+15V，反向偏置电压为-15V。基于此，为能够有效驱动IGBT，电平转换电路需要将PWM信号进行转换增幅，从而将原本0～5V的脉冲信号转化为-15～+15V的脉冲信号，从而有效驱动IGBT。整个电平转换电路由比例放大器、电容器以及晶体管共同组成。

　　7、栅极前馈控制电路

　　IGBT在开关过程中，由于杂散电感的存在，其会产生电流过冲和电压过冲，若是产生的电流过冲和电压过冲超过IGBT的额定值，那么便会引起IGBT发生，乃至于损坏等问题。结合现有的研究内容可以发现，IGBT的电流过冲和电压过冲的产生与IGBT的电流变化率有关，而栅极电压、栅极电阻以及杂散电感的大小将会直接影响到IGBT开关过程中电流变化率的大小。为能够解决这一问题，传统的解决方法一般是增大IGBT的栅极电阻，虽然能降低电流变化率，并以此来控制电流过冲和电压过冲的产生，但该种方法不仅会降低IGBT的响应速度，还会增加驱动能耗[3]。但事实上，控制电流变化率的最佳方法还是控制栅极电压，本设计也是基于该理论，将栅极前馈控制电路分为开通前馈控制电路、关断前馈控制电路以及截波电路三部分，该设计可以有效抑制正反馈的产生，不仅可以提高IGBT的开关速度，还可以通过控制电流变化率的方式控制电流过冲和电压过冲的产生。

　　8、功率放大电路

　　正如上文所述，PWM信号在经过隔离、信号转换、信号反馈等诸多流程以后，其脉冲信号仅有0～5V，无法起到驱动IGBT的实际作用。为此，本设计中还需要在后级电路中加设功率放大电路，从而保证PWM信号能够驱动IGBT。常用的功能放大电路由三极管NPN与PNP组成、PMOS与NMOS组成以及双NMOS组成的推挽电路。其中三极管NPN与PNP组成的推挽电路虽然价格成本比较低，但其会出现电路增益受限的问题。而PMOS与NMOS组成的推挽电路有电流增益大、损耗小的优点，但其也有着价格成本高，并且需要再次进行反逻辑处理的缺点。虽然双NMOS组成的推挽电路有开关速度快、损耗小的优点，但其有增加设计成本，并且容易产生峰值电流的缺点。在综合考虑以后，本研究最终选用了三极管NPN与PNP组成的推挽电路。

　　9、结语

　　鉴于现有电子元器件反并联二极管及杂散电感等客观因素的存在，IGBT在开关过程中的电流过冲、电压过冲以及开关损耗等问题，本研究提出了一种新型IGBT有源栅极前馈驱动电路设计，从而有效解决了IGBT在开关过程中出现电流过冲、电压过冲以及开关损耗等问题。因此有着较强的使用价值。

　　参考文献

　　[1]阳燕华.小功率通用变频器IGBT驱动器设计[D].北京：华北电力大学，2015.

　　[2]蒋梦轩.新型大功率绝缘栅双极晶体管的设计与试验研究[D].长沙：湖南大学，2016.

　　[3]聂伟，王华君，何昌国.基于度电成本的IGBT模块的冗余设计[J].科学技术与工程，2017(3)：245-251.

　　作者：梁仲儒