exb841驱动电路图

❶ igbt驱动的简介

在此根据长期使用 IGBT 的经验并参考有关文献对 IGBT 的门极驱动问题做了一些总结，希望对广大 IGBT 应用人员有一定的帮助。
1 IGBT 门极驱动要求
1.1 栅极驱动电压
因 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动，但 IGBT 的输入电容较 MOSFET 大，所以 IGBT 的驱动偏压应比 MOSFET 驱动所需偏压强。图 1 是一个典型的例子。在 +20 ℃情况下，实测 60 A ， 1200 V 以下的 IGBT 开通电压阀值为 5 ～ 6 V ，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取 Ugc ≥ (1.5 ～ 3)Uge(th) ，当 Uge 增加时，导通时集射电压 Uce 将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中 Uge 增加，集电极电流 Ic 也将随之增加，使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此 Ugc 的选择不应太大，这足以使 IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力 ( 在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用 IGBT 时， +Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力 ) 。
1.2 对电源的要求
对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于 IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使 IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止 IGBT 关断时产生的 /dt 误使 IGBT 导通，应加上一个 -5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断 ( 过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿，一般为 -2 ～ 10 V 之间 ) 。
1.3 对驱动波形的要求
从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使 IGBT 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在 IGBT 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下， IGBT 过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压 Ldi/dt ，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成 IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及 /dt 吸收电路性能综合考虑。
1.4 对驱动功率的要求
由于 IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：
I GP = △ U ge /R G +R g ；
式中△ Uge=+Uge+|Uge| ； RG 是 IGBT 内部电阻； Rg 是栅极电阻。
驱动电源的平均功率为：
P AV =C ge △ Uge 2 f,
式中． f 为开关频率； Cge 为栅极电容。
1.5 栅极电阻
为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小 IGBT 集电极的电压尖峰，应在 IGBT 栅极串上合适的电阻 Rg 。当 Rg 增大时， IGBT 导通时间延长，损耗发热加剧； Rg 减小时， di/dt 增高，可能产生误导通，使 IGBT 损坏。应根据 IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取 Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间 ( 在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整 ) 。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏 IGBT ，建议在栅射间加入一电阻 Rge ，阻值为 10 k Ω左右。
1.6 栅极布线要求
合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护 IGBT 正常工作有很大帮助。
a ．布线时须将驱动器的输出级和 lGBT 之间的寄生电感减至最低 ( 把驱动回路包围的面积减到最小 ) ；
b ．正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合；
c ．应使用辅助发射极端子连接驱动电路；
d ．驱动电路输出不能和 IGBT 栅极直接相连时，应使用双绞线连接 (2 转/ cm) ；
e ．栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。
1.7 隔离问题
由于功率 IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路在电位上完全隔离，主要的途径及其优缺点如表 1 所示。
表1 驱动电路与控制电路隔离的途径及优缺点
利用光电耦合器进行隔离
优点：体积小、结构简单、应用方便、输出脉宽不受限制，适用于 PWM 控制器
缺点
1 、共模干扰抑制不理想
2 、响应速度慢，在高频状态下应用受限制
3 、需要相互隔离的辅助电源
利用脉冲变压器进行隔离
优点：响应速度快，共模干扰抑制效果好
缺点：
1 、信号传送的最大脉冲宽度受磁芯饱和特性的限制，通常不大于 50 %，最小脉宽受磁化电流限制
2 、受漏感及集肤影响，加工工艺复杂
2 典型的门极驱动电路介绍
2.1 脉冲变压器驱动电路
脉冲变压器驱动电路如图 2 所示， V1 ～ V4 组成脉冲变压器一次侧驱动电路，通过控制 V1 、 V4 和 V2 、 V3 的轮流导通，将驱动脉冲加至变压器的一次侧，二次侧通过电阻 R1 与 IGBT5 栅极相连， R1 、 R2 防止 IGBT5 栅极开路并提供充放电回路， R1 上并联的二极管为加速二极管，用以提高 IGBT5 的开关速度，稳压二极管 VS1 、 VS2 的作用是限制加在 IGBT5g-e 端的电压，避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过 20 V 。
图 2 脉冲变压器驱动电路
2.2光耦隔离驱动电路
光耦隔离驱动电路如图 3 所示。由于 IGBT 是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由 PWM 控制器输出的方波信号加在三极管 V1 的基极， V1 驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路 IC1 ，经 IC1 放大后驱动由 V2 、 V3 组成的对管 (V2 、 V3 应选择β >100 的开关管 ) 。对管的输出经电阻 R1 驱动 IGBT4 ， R3 为栅射结保护电阻， R2 与稳压管 VS1 构成负偏压产生电路， VS1 通常选用 1 W/5.1 V 的稳压管。此电路的特点是只用 1 组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。
图 3 光耦隔离驱动电路
2.3 驱动模块构成的驱动电路
应用成品驱动模块电路来驱动 IGBT ，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买到的驱动模块主要有：富士的 EXB840、841，三菱的 M57962L，落木源的KA101、KA102，惠普的 HCPL316J、3120 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类模块驱动 IGBT 可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。 EXB840 和 M57962 很多资料都有介绍，KA101和KA102的资料可以从网络搜索，这里就简要介绍一下惠普公司的 HCPL316J 。典型电路如图 4 所示。
图 4 由驱动模块构成的驱动电路
HCPL316J 可以驱动 150 A/1200 V 的 IGBT ，光耦隔离， COMS/TTL 电平兼容，过流软关断，最大开关速度 500 ns ，工作电压 15 ～ 30 V ，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准 SOL-16 表面贴装。
HCPL316J 输入、输出部分各自排列在集成电路的两边，由 PWM 电路产生的控制信号加在 316j 的第 1 脚，输入部分需要 1 个 5 V 电源， RESET 脚低电平有效，故障信号输出由第 6 脚送至 PWM 的关闭端，在发生过流情况时及时关闭 PWM 输出。输出部分采用 +15 V 和 -5 V 双电源供电，用于产生正负脉冲输出， 14 脚为过流检测端，通过二极管 VDDESAT 检测 IGBT 集电极电压，在 IGBT 导通时，如果集电极电压超过 7 V ，则认为是发生了过流现象， HCPL316J 慢速关断 IGBT ，同时由第 6 脚送出过流信号。
3、 结语
通过对 IGBT 门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍，使大家对 IGBT 的应用有一定的了解。可作为设计 IGBT 驱动电路的参考。

❷ ir210悬浮驱动的最宽导通时间如何计算

高压悬浮驱动器IR2110的原理和扩展应用
吴胜华，张成胜，钟炎平，吴保芳

(空军雷达学院，湖北武汉430019）

摘要：介绍了IR2110的内部结构和特点，高压侧悬浮驱动的原理和自举元件的设计。针对IR2110的不足提出了几种扩展应用的方案，并给出了应用实例。

关键词：悬浮驱动；栅电荷；自举；绝缘门极

1引言

在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。

光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。快速光耦的速度也仅几十kHz。

电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快（脉冲的前沿和后沿），原副边的绝缘强度高，dv/dt共模干扰抑制能力强。但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。而且最大占空比被限制在50％。而且信号的最小宽度又受磁化电流所限。脉冲变压器体积大，笨重，加工复杂。

凡是隔离驱动方式，每路驱动都要一组辅助电源，若是三相桥式变换器，则需要六组，而且还要互相悬浮，增加了电路的复杂性。随着驱动技术的不断成熟，已有多种集成厚膜驱动器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等，它们均采用的是光耦隔离，仍受上述缺点的限制。

美国IR公司生产的IR2110驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。

2IR2110内部结构和特点

IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

IR2110的内部功能框图如图1所示。由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。如上所述IR2110的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱

图1IR2110的内部功能框图

图2半桥驱动电路

动电源的数目，三相桥式变换器，仅用一组电源即可。

3高压侧悬浮驱动的自举原理

IR2110用于驱动半桥的电路如图2所示。图中C1、VD1分别为自举电容和二极管，C2为VCC的滤波电容。假定在S1关断期间C1已充到足够的电压（VC1≈VCC）。当HIN为高电平时VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的门极和发射极之间，C1通过VM1，Rg1和S1门极栅极电容Cgc1放电，Cgc1被充电。此时VC1可等效为一个电压源。当HIN为低电平时，VM2开通，VM1断开，S1栅电荷经Rg1、VM2迅速释放，S1关断。经短暂的死区时间（td）之后，LIN为高电平，S2开通，VCC经VD1，S2给C1充电，迅速为C1补充能量。如此循环反复。

4自举元器件的分析与设计

如图2所示自举二极管（VD1）和电容（C1）是IR2110在PWM应用时需要严格挑选和设计的元器件，应根据一定的规则进行计算分析。在电路实验时进行一些调整，使电路工作在最佳状态。

4.1自举电容的设计

IGBT和PM（POWERMOSFET）具有相似的门极特性。开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压（10V，高压侧锁定电压为8.7/8.3V）要高；再假定在自举电容充电路径上有1.5V的压降（包括VD1的正向压降）；最后假定有1/2的栅电压（栅极门槛电压VTH通常3～5V）因泄漏电流引起电压降。综合上述条件，此时对应的自举电容可用下式表示：C1=（1）

工程应用则取C1>2Qg/(VCC－10－1.5)。

例如FUJI50A/600VIGBT充分导通时所需要的栅电荷Qg=250nC（可由特性曲线查得），VCC=15V，那么

C1=2×250×10－9/(15－10－1.5)=1.4×10－7F

可取C1=0.22μF或更大一点的，且耐压大于35V的钽电容。

4.2悬浮驱动的最宽导通时间ton(max)当最长的导通时间结束时，功率器件的门极电压Vge仍必须足够高，即必须满足式（1）的约束关系。不论PM还是IGBT，因为绝缘门极输入阻抗比较高，假设栅电容（Cge）充电后，在VCC=15V时有15μA的漏电流（IgQs）从C1中抽取。仍以4.1中设计的参数为例，Qg=250nC，ΔU=VCC－10－1.5=3.5V，Qavail=ΔU×C=3.5×0.22=0.77μC。则过剩电荷ΔQ=0.77－0.25=0.52μC，ΔUc=ΔQ/C=0.52/0.22=2.36V，可得Uc=10＋2.36=12.36V。由U=Uc及栅极输入阻抗R===1MΩ可求出t（即ton(max)），由===1.236可求出

ton(max)=106×0.22×10－6ln1.236=46.6ms

4.3悬浮驱动的最窄导通时间ton(min)

在自举电容的充电路径上，分布电感影响了充电的速率。下管的最窄导通时间应保证自举电容能够充足够的电荷，以满足Cge所需要的电荷量再加上功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量。因此从最窄导通时间ton(min)考虑，自举电容应足够小。

综上所述，在选择自举电容大小时应综合考虑，既不能太大影响窄脉冲的驱动性能，也不能太

高压悬浮驱动器IR2110的原理和扩展应用

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图3具有负偏压的IR2110驱动电路

图4简单负偏压产生电路

小而影响宽脉冲的驱动要求。从功率器件的工作频率、开关速度、门极特性进行选择，估算后经调试而定。

4.4自举二极管的选择

自举二极管是一个重要的自举器件，它应能阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选择反向漏电流小的快恢复二极管。 5IR2110的扩展应用

单从驱动PM和IGBT的角度考虑，均不需要栅极负偏置。Vge=0，完全可以保证器件正常关断。但在有些情况下，负偏置是必要的。这是因为当器件关断时，其集电极－发射极之间的dv/dt过高时，将通过集电极－栅极之间的（密勒）电容以尖脉冲的形式向栅极馈送电荷，使栅极电压升高，而PM，IGBT的门槛电压通常是3～5V左右，一旦尖脉冲的高度和宽度达到一定的水平，功率器件将会误导通，造成灾难性的后果。而采用栅极负偏置，可以较好地解决这个问题。 5.1具有负偏压的IR2110驱动电路

电路如图3所示。高压侧和低压侧的电路完全相同。每个通道分别用了两只N沟道和两只P沟道的MOSFET。VD2、C2、R2为VM2的栅极耦合电路，C3、C4、VD3、VD4用于将H0（脚7）输出的单极性的驱动信号转换为负的直流电压。当VCC=15V时，C4两端可获得约10V的负压。

5.2简单负偏压IR2110驱动电路

电路如图4所示。高压侧的负偏压由C1，VD1，R1产生，R1的平均电流应不小于1mA。不同的HV可选择不同的电阻值，并适当考虑其功耗。低压侧由VCC，R2，C2，VD2产生。两路负偏置约为－4.7V。可选择小电流的齐纳二极管。

在图3所示电路中，VM1～VM4如选择合适的MOSFET，也能同时达到扩展电流的目的，收到产生负偏置和扩展电流二合一的功能。

6应用实例

一台2kW，三相400Hz，115V/200V的变频电源。单相50Hz，220V输入，逆变桥直流干线HV≈300V，开关频率fs=13.2kHz。功率模块为6MBI25L060，用三片IR2110作为驱动电路，共用一组15V的电源。主电路如图5所示。控制电路由80C196MC构成的最小系统组成。图6为IR2110高压侧输出的驱动信号，图7为其中一相的输出波形。

7结语

IR2110是一种性能比较优良的驱动集成电路。无需扩展可直接用于小功率的变换器中，使电路更加紧凑。在应用中如需扩展，附加硬件成本也不高，空间增加不大。然而其内部高侧和低侧通道

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