大功率igbt驱动电路设计翻译

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1、0.8的半导体加入IGBT电源开关的门极驱动摘要：本文主要讨论了绝缘栅双极晶体管（IGBT）的门极驱动的设计和整体的实现。本文讨论的初衷是实现一个高压（25V）整体门极驱动和异常电路的保护电路在常见的低压（5V）高密度（0.8）半导体工艺的处理。扩展MOS-FET管以在这个设计中实现抗高压的能力。关键词：门极驱动，IGBT，HVNMOS,HVPMOS1.简介一个有效的IGBT门极驱动必须连接单片机的接口，通过电压或者电流来实现IGBT[1]的开关，而且同时能够在非正常情况下保护IGBT。最近几年，种类繁多的制造设计工艺已经实现在IGBT的门极驱动【2,3】。在大多数

2、的这些设计中，其中用于高压门极驱动电路的实现往往与低压控制电路的实现不同。这项工作的目的是IGBT驱动的高压部分在传统的低压（5V）高密度（0.8）半导体中的实现[4]，在不额外添加其他条件的情况下达到高压性能，使用扩展MOS晶体管[5,6]。这个过程可以适合低压控制电路中实施，因此也可以在一个单片机芯片上实现高压驱动控制，与此同时还实现了保护电路的最小区域和最小功耗。1.1IGBT开特性图1展示了IGBT和感性负载，图2展示开状态电路的理想波形。IGBT的输入端通过电阻连接，IGBT门极驱动是输出电阻的体现。电压的变化来自IGBT门极的电压必须关闭而IGBT的门极

3、电压需要变为打开。图1IGBT感性负载电路图2IGBT开状态理想波形在时间，门电流控制常量电容直到阴极电压上升至超过设备的临界电压。此时，IGBT打开并开始通过电流。在时间的负载电流是来自IGBT的二极管D1的阳极电流同时不断增加逐渐趋近于稳定值。阳极电流波形取决于门电压的上升时间和装置的超前互导。以下的表达式可以用来表达阳极电流和时间的关系：(1)门阴极电压在期间的变化率可以表达如下：(2)从而(3)把（1）式代入（2）式中得出阳极电流的变化率(4)在期间，门阴极电压达到支持阳极电流恒定稳态的值，此时阳极阴极之间的电压开始减小到IGBT的开电压。在此时间，门电流与

4、反向传输电容的从属电压在某一稳定门电流的关系可以表达如下:（5）为了降低动态打开的损失，IGBT的切换时间必须十分短暂。实现这个条件使得IGBT的门极驱动必须具有低阻抗（low）并且可以提供大的窄脉冲电流（）以快速冲入电容从而引起IGBT在低功耗的条件下迅速开始工作。1.2IGBT的关闭特性IGBT的关闭是由于门阴极端的电压的消除。图3表示了IGBT关闭时选定区域的感性负载的理想波形。1.关闭过程的第一部分是在延时时间，时间就是将门极驱动电压从开电压（）值减小向IGBT开始关闭。在时间，关闭过程开始同时阳极和阴极间的电压增大。其增长率和电阻保持一致：(6)在时间，阳

5、极和阴极之间的电压达到母线电压值，单向二极管D1开始流通感性负载电流，同时阳极电流开始减弱。由于在此段时间阳极电流较高的变化率感应系数极大，使得阳极电压上升到远远高于供给电源电压。阳极电流在下降时间的初期受到门极驱动电路的设计和其驱动阻抗很大的影响。阳极电流下降时间与的关系表达式为：(7)当门阴极电压减小到IGBT临界电压值以下时间开始。时间段需要IGBT[1极结构中的基极区少数载流子进行重组，重组过程在关闭波形中通常被称为“后电流”，控制IGBT的操作频率。后电流的尺寸和长度取决于装置的设计、加工工艺和不能被门驱动所控制。图3IGBT关闭时的理想波形1.2IGBT

6、的门极驱动一个IGBT的低功率驱动是它可以快速进入工作状态的原因。不像双极型晶体管那样，经常需求大量的基极电流，IGBT典型模块需要一个均匀的毫安驱动电流[7]。即使平均驱动功率很小，也要为大型IGBT驱动模块提供门驱动电路，这是一个非常富有挑战性的任务。IGBT的快速转换和高操作电压在电源电路导致较高的di/dt和dv/dt可以对门极驱动电路造成电偶噪声。因此，小心门极驱动的电路和布局设计可以避免噪声的问题[8]。IGBT门极驱动的结构如图4所示，驱动的主要作用是控制IGBT的开关。此外，门极驱动还要保护其当开关在打开的情况下阳极和阴极电压上升超过开电压时饱和度下

7、降失败。另外，还要保护在驱动输出电压不足以驱动IGBT是无效开关转换。对于有效的转换，驱动必须能足以支持而且分别在IGBT时开和关的状态下，保持电压（）和（）稳定。同样，门极驱动必须能够在极短的时间内提供一个峰值电流IG，其性能为1A/ms或者更高来提供给中型IGBT（>100A,300V[8]）。门极驱动的输入终端是与一个外部控制系统连接的，故障输出信号点在图4可示，其会向系统的控制器报告一个故障信号。为了检测电压失败，IGBT的阳极电压检测须不受到性能转换的影响。为了达到这个目的，阴极外置二极管D2的反向偏置高压是连接在IGBT的阳极并作为一个饱和度下降探测