IGBT特性研究及驱动、缓冲电路设计

 IGBT广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。而IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。IGBT在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动IGBT工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。在使用IGBT构成的各种主回路之中，大功率IGBT驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用。为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些优秀的驱动集成电路，如IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般有两种途径：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。
光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是：A.反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于500ns)；B.光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。
用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。
无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大，因而栅源间的波形Vgs将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积。
有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。
自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频(1MHz以上)调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单, 价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。
电力电子器件的缓冲电路又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的应用技术中起着重要的作用。
晶闸管开通时，为了防止过大的电流上升率而烧坏器件，往往在主电路中串入一个扼流电感，以限制过大的di/dt，串联电感及其配件组成了开通缓冲电路，或称串联缓冲电路。晶闸管关断时，电源电压突加在管子上，为了抑制瞬时过电压和过大的电压上升率，以防止晶闸管内部流过过大的结电容电流而误触发，需要在晶闸管的两端并联一个RC网络，构成关断缓冲电路，或称并联缓冲电路。
本文研究的目的及意义
电力电子技术在当今急需节能降耗的工业领域里起到了不可替代的作用；而IGBT在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动IGBT工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。
在使用IGBT构成的各种主回路之中，大功率IGBT驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的“子系统”来研究、开发及设计。
大功率IGBT驱动保护电路一直伴随IGBT技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率IGBT驱动保护电路专用产品，成为大多数设计工程师的首选；也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率IGBT。驱动保护电路而IGBT行业中的高端技术重点在于怎样驱动以及保护IGBT正常工作。
本文从了解IGBT结构、工作原理、工作特性着手，研究了IGBT驱动和保护电路的设计和要求，解决了IGBT驱动和保护电路的选择及设计问题。
目录
摘要 1
Abstract 2
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题研究意义 2
1.3 研究现状 3
1.3.1 产品现状 3
1.3.2 技术现状 4
1.4 主要研究内容 5
2 IGBT工作原理及特性研究 6
2.1 IGBT的定义 6
2.2 IGBT的结构和工作原理 7
2.2.1 IGBT的结构 7
2.2.2 IGBT的工作原理 7
2.3 IGBT工作特性 9
2.3.1 静态特性 9
2.3.2 动态特性 9
2.3.3 IGBT的开通与关断 10
3 IGBT驱动及缓冲 12
3.1 IGBT驱动电路的选择 12
3.2 门极驱动的要求及电路设计 14
3.2.1 栅极驱动电压 14
3.2.2 对电源的要求 14
3.2.3 对驱动波形的要求 14
3.2.4 对驱动功率的要求 15
3.2.5 栅极电阻 15
3.2.6 栅极布线要求 15
3.2.7 隔离问题 15
3.3 典型的门极驱动电路介绍 16
3.3.1 脉冲变压器驱动电路 16
3.3.2 光耦隔离驱动电路 17
3.3.3 驱动模块构成的驱动电路 17
3.4 大功率IGBT驱动保护电路的分类 18
3.4.1 单一功能型 18
3.4.2 多功能型 19
3.4.3 全功能型 21
3.5 大功率IGBT驱动保护电路的功能 22
3.5.1 隔离功能 22
3.5.2 死区隔离功能 23
3.5.3 驱动功率的缓冲功能 23
3.6 针对FF600R06ME3这款IGBT设计的驱动电路 24
4 IGBT保护电路的设计 26
4.1 IGBT栅极的保护 26
4.2 集电极与发射极间的过压保护 26
4.2.1 直流过电压 26
4.2.2 浪涌电压的保护 27
4.3 集电极电流过流保护 28
4.4 过热保护 29
全文总结及展望 30
致谢 31
参考文献 32
全文首先对IGBT的产生和发展过程做了一个大致的介绍，重点突出了IGBT发展的路线，智能化、模块化成为IGBT发展热点。然后介绍了IGBT的结构、工作原理以及工作特性。只有充分了解了IGBT的工作特性，才能更好的设计驱动电路和缓冲电路。在文章的第三章介绍了IGBT的驱动电路的选择、门极驱动的要求，并且列举目前比较典型的集中IGBT驱动电路进行对比分析。本论文第四章对保护电路的着手点、常用的保护电路种类、电路的设计以及性能对比。全文的重点在于IGBT的驱动问题，因为在现今这个社会，能很好的驱动一款IGBT有着重要的意义，能达到节能的目的，适应社会的主题。
本论文在研究了IGBT的驱动之后，主要针对FF600R06ME3这款IGBT设计了它的驱动电路。更加具体的研究了怎样选择一款IGBT的驱动器。