大功率的MOSFET和IGBT驱动芯片

关键词：IGBT；驱动与保护；IXDN404

引言

绝缘栅晶体管IGBT是近年来发展最快而且很有前途的一种复合型器件，并以其综合性能优势在开关电源、UPS、逆变器、变频器、交流伺服系统、DC/DC变换、焊接电源、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。然而，在其使用过程中，发现了不少影响其应用的问题，其中之一就是IGBT的门极驱动与保护。目前国内使用较多的有富士公司生产的EXB系列，三菱公司生产的M579系列，MOTOROLA公司生产的MC33153等驱动电路。这些驱动电路各有特点，均可实现IGBT的驱动与保护，但也有其应用限制，例如：驱动功率低，延迟时间长，保护电路不完善，应用频率限制等。本文，以IXYS公司生产的IGBT驱动芯片IXDN404为基础，介绍了其特性和参数，设计了实际驱动与保护电路，经过实验验证，可满足IGBT的实际驱动和过流及短路时实施慢关断策略的保护要求。

1 IXDN404驱动芯片简介

IXDN404为IXYS公司生产的高速CMOS电平IGBT/MOSFET驱动器，其特性如下：

--高输出峰值电流可达到4A；

--工作电压范围4.5V～25V；

--驱动电容1800pF<15ns；

--低传输延迟时间；

--上升与下降时间匹配；

--输出高阻抗；

--输入电流低；

--每片含有两路驱动；

--输入可为TTL或CMOS电平。

其电路原理图如图1所示，主要电气参数如表1所列。

表1 IXDN404主要电气参数

符号参数测试条件最小值典型值最大值单位

Vih输入门限电压，逻辑1

空 3.5空空 V

Vil输入门限电压，逻辑0 空空空 0.8V

Voh输出电压，逻辑1

空 Vcc－0.025空空 V

Vol输出电压，逻辑0

空空空0.025V

Ipeak峰值输出电流

Vcc=18V4空空 A

Idc连续输出电流

Vce=18V空空 1A

tr上升时间

C1=1800pF Vcc=18V111215ns tf下降时间

C1=1800pF Vcc=18V121417ns tond上升时间延迟

C1=1800pF Vcc=18V333438ns toffd下降时间延迟

C1=1800pF Vcc=18V283035ns Vcc供电电压

空 4.51825V

Icc供电电流

Vin=＋Vcc空空10μA

2 驱动芯片应用与改进

图2为IXDN404组成的IGBT实用驱动与保护电路，该电路可驱动1200V/100A的IGBT，驱动电路信号延迟时间不超过150ns，所以开关频率图2由IXDN404组成的IGBT保护与驱动电路图1IXDN404电路原理图可以高达100kHz。可应用于DSP控制的高频开关电源、逆变器、变频器等功率电路中。根据IXYS公司的使用手册，IXDN404仅能提供0～＋Vcc的驱动脉冲。我们在此基础上，增加5.1V稳压二极管Z3以实现－5V偏置电压；由稳压管电压为光耦6N137和反相器CD4069供电，节省了一路驱动电源；增加降栅压及慢关断保护电路，实现IGBT的保护功能；降栅压及慢关断电路是通过控制IXDN404供电电压Vcc来实现的，明显不同于其它保护电路的前级降压控制方式。下面介绍其工作原理。

2.1 正常开通过程

当控制信号为高电平时，快速光耦6N137导通，经过一级反相，输入IXDN404，输出＋15V 脉冲，IGBT正常导通。同时，由于光耦输出为反相，V4截止，V5导通，C1由电源充电，C1电压不会超过9V，这是因为IGBT正常导通时Vces不高于3V，二极管D2导通，A点电位箝位在8V，加上电阻R10的压降，C点电位接近9V。Z1截止，V2截止，V1导通，B点电位接近20V；Z2截止，V3截止，D点电位接近B点电位。C1充电时间常数τ1=R9×C1=2.42μs，C1充电到9V的时间为

t1=τ1ln[20/(20-19)]=1.45μs（1）

2.2 正常关断过程

当控制信号为低电平，光耦输出高电平，反相输出低电平，由于Z3箝位IXDN404输出脉冲为－5V，IGBT正常关断。这时，V4导通，V5截止，C点电位保持在9V；Z1截止，V2截止，V1导通，B点电位接近20V；Z2截止，V3截止，D点电位接近B点电位。

图2

2.3 保护过程

设IGBT已经导通，各点电位如2.1所说。当电路过流时，IGBT因承受大电流而退出电阻区，Vces上升，二极管D2截止，A点对电容C1的箝位作用消失；C点电位从9V上升，同时Z1反向击穿，V2导通，V1截止，B点电位由R1和Rc以及IXDN404芯片内阻分压决定，箝位在15V，栅压降为10V。栅压的下降可有效地抑制故障电流并增加短路允许时间。降栅压运行时间为

t2=τ1ln(20-0)/(20-13)=1.09μs（2）

如果在这段时间内，电路恢复正常，D2导通，A点继续箝位，V2截止，V1导通，电路恢复2.1所说状态。如果D2仍处于断态，也就是故障电流仍然存在，C点电压继续上升，经过t2时间上升到13V，Z2反向击穿，V3导通，电容C2通过电阻R12放电，D点与B点电位同时下降，IGBT栅压逐渐下降，实现慢关断过程，避免了正常关断大电流时所引起的过电压。慢关断过程时间为t3，由C2和R12决定。由IXDN404工作电压范围为4.5～25V，τ2=R12×C2=4.84μs，可知

t3=τ2ln(15/4.5)=5.83μs（3）

另外，在IGBT开通过程中，如果二极管D2不能及时导通，将造成保护电路的误动作，因此D2要选择快速二极管，也可通过适当增加Z1稳压值和增大电阻R9以增大C1充电时间常数延长保护电路动作时间。但这与保护动作的快速性相矛盾，具体应用时要根据实际电路要求和功率器件的特性作出折中的选择。

2.4 几点说明

1）为使驱动功率达到最大，本电路将两路输入输出并联使用，最大驱动峰值电流可达8A，这个峰值电流是由电容Cc瞬间放电产生；

2）光耦6N137输出为输入反相，IXDN404为同相输入输出，为保证控制逻辑正确，中间需加一级反相器，也可采用带反相的IXDI404；

3）图2中可在E点处加入一个光耦，其输出可作为短路保护信号送给控制逻辑，以封锁本路及其它各路的PWM信号，确保主电路安全；

4）IXDN404驱动电路对脉冲信号非常敏感，实际操作时要保证连线尽量短，输出要用双绞线接IGBT，电路所用元器件也可采用贴片式，既缩小驱动电路体积，也提高了工作稳定度。

图3为实测IGBT的门极驱动信号，其中通道1为输入控制信号，通道2为输出驱动信号。所用IGBT为仙童公司HGTG18N120BND。从图中可以看出驱动电路延迟时间仅为100ns。其中图3（d）为模拟IGBT过流时的保护波形，首先降栅压运行，然后慢关断，最后由于低电压供电，IXDN404输出驱动电压封锁在－2V左右。

3 结语

由IXDN404组成的IGBT驱动与保护电路可满足IGBT驱动要求，其特点可归纳如下：

--驱动电源＋20V单路供电，驱动栅压＋15V～－5V；

--最大驱动峰值电流可达8A，满足大功率IGBT驱动要求；

--电路信号延迟时间短，工作频率可以达到100kHz或者更高，可适应大多数电路需要；

--可实现过流保护及降栅压慢关断功能；

--电路成本相对较低。

综上所述，这种驱动保护电路是一种低成本、高性能的IGBT驱动电路。