论文总字数：24725字

摘 要

本文首先从IGBT的基本结构入手分析了IGBT内部载流子的运动机理、介绍了IGBT的安全工作区域以及IGBT擎住效应和大功率IGBT驱动器的基本要求。然后，本文结合一款大功率IGBT驱动板，介绍了驱动板的基本结构和工作原理。并逐一介绍驱动板的辅助电源、驱动板的信号综合与放大、以及驱动板的保护功能模块和每个功能模块的实验测试结果，详细介绍了该驱动板中采用的一种基于检测集电极-发射极饱和压降U_cesat实现IGBT过流保护的方法，分析了其工作原理并给出了实验测试波形。

此外，本文中还介绍了该驱动板中采用的一种改进型有源钳位电路和di/dt反馈抑制尖峰电压的工作原理。最后，通过在实验室搭建双脉冲实验平台，在直流母线为500V的情况下，验证了驱动板具有抑制关断尖峰电压的功能；在IGBT发生一类短路和二路短路时，验证了过流保护模块能够检测出短路并关断短路电流的功能。

关键词：大功率IGBT，尖峰电压抑制，过流保护，双脉冲实验

HIGH POWER IGBT GATE DRIVER

Abstract

This paper starts with the basic structure of insulated gate bipolar transistors (IGBT), which is applicable widely, analyzes IGBT’s movement mechanism of carrier, introduces the IGBT’s Safety Operation Area (SOA) and Self-Locking Effect of IGBT, and finally proposes the basic requirement of high power IGBT drive. Then, combined with a high power IGBT driver board, this paper describes the basic structure and operating principles of the high power IGBT drive.

In sequence, this paper introduces Auxiliary Power Supply, Signal Synthesis and Amplification Circuit, Protection Function Module of High Power IGBT Drive, as well as experimental results of each functional module. Besides, this paper particularly analyzes the operating principle of using a based on the detection of collector to emitter saturation voltage drop U_cesat implementation method of IGBT over-current protection, and gives the experimental test waveforms.

In addition, this paper also describes a way of stopping the peak voltage during turn off IGBT, in which adopts an improved active clamp circuit and di/dt feedback inhibition works spike voltage. Finally, by building a double pulse experiment platform, in the case of 500V DC bus, the experiment verifies the drive plate have the function of inhibiting turn off peak voltage; When occurs the first type of short circuit and the second type of short circuit, it is verified that the over-current protection module in the drive board can detect the short circuit and successfully shut off the short-circuit current in a second.

Key Words: High Power IGBT, Inhibition of Turn-off Peak Voltage, Over Current Protec –tion, Double Pulse Experiment

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2大功率IGBT驱动器研究现状 1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 1

第二章 大功率IGBT的驱动原理 3

2.1 IGBT的工作原理 3

2.1.1 IGBT开通和关断时内部载流子运动原理 3

2.1.2 IGBT简易等效电路 3

2.1.3 IGBT的擎住效应和安全区 4

2.2 大功率IGBT驱动的要求 5

2.3大功率IGBT驱动总体设计方案 6

第三章 驱动板辅助电源 8

3.1推挽电路 8

3.1.1推挽电路基本原理 8

3.1.2推挽电路模块原理图 9

3.1.3实验调试结果 9

3.2电荷泵电路 10

3.2.1电荷泵电路基本原理 10

3.2.2电荷泵电路模块原理图 11

3.2.3实验调试结果 12

3.3线性降压电路 12

3.3.1线性降压电路 12

3.3.2实验调试结果 13

第四章 驱动板的信号综合与放大 14

4.1 IGBT驱动信号调理电路 14

4.1.1综合逻辑电路 14

4.1.2驱动调理电路 15

4.2图腾柱电路 15

4.3实验测试结果 16

4.3.1驱动信号调理电路测试 16

4.3.2图腾柱电路测试与分析 17

第五章 驱动板保护功能 18

5.1过流检测及保护信号产生电路 18

5.1.1 IGBT短路分析以及短路分类 18

5.1.2过流保护基本原理 19

5.1.3恒流源电路及过流检测电路 19

5.1.4迟滞环电路 21

5.1.5实验调试结果 22

5.2欠压检测电路和栅极过压保护电路 23

5.2.1工作原理 23

5.2.2欠压检测电路测试与分析 24

5.3关断尖峰电压抑制电路 25

5.3.1有源钳位电路 25

5.3.2 di/dt尖峰电压抑制 25

5.3.3关断尖峰电压抑制电路模块的原理图 26

5.4反馈信号产生电路 26

5.4.2光纤信号发送电路 27

5.5实验验证 28

5.5.1双脉冲实验原理及意义 28

5.5.2关断尖峰电压抑制电路验证 29

5.5.3 短路实验 31

5.6实验结论 32

第六章 总结 33

6.1总结 33

致谢： 34

参考文献（References） 35

第一章 绪论

1.1 引言

IGBT在20世纪80年代诞生，主要在20世纪90年代初进入实用化。与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、开关频率高、电压型驱动、驱动功率小、开关速度高、饱和压降低等诸多应用上的优点，并可用IC来实现驱动和控制，进而发展到把集成IGBT芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过电压/过电流/欠电压保护电路，有源钳位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳的IPM，为电力电子设备的高频化、小型化、高可靠性和高性能奠定了器件基础。电力电子技术从诞生到广泛应用于电力、能源产业的发展轨迹看来，IGBT因其卓越的性能、相对容易控制等一系列优点得到了广泛的应用。尤其在解决电力公害、改善电能质量、计算机电源、不间断电源和X光机电源、超声电源、汽车电子化、电动汽车、洁净发电以及传统电力电子设备的高频化改造等方面，IGBT等场控器件都发挥着至关重要的作用^[1]。

1.2大功率IGBT驱动器研究现状

目前IGBT驱动器主要形式为：光耦驱动电路、厚膜驱动电路和专用集成驱动电路^[1]。光耦驱动电路：M579系列IGBT驱动器是日本三菱公司生产的，M579系列在过流保护时仅对IGBT进行软关断，不能进行降栅压保护，且工作频率和控制精度受到一定限制，此外光耦有一定的传输延时^[2]；厚膜驱动电路：三菱公司的EXB系列芯片，其过流保护无自锁功能，且负偏压不足^[3]；专用集成芯片：瑞士CONCEPT公司设计的SCALE系列集成驱动器，性价比高、功能多、可靠性高^[4]-[5]。目前，限制IGBT驱动电路发展的主要是价格因素。

1.3本文的研究目的和主要研究内容

随着IGBT的电压等级和电流等级的不断提升，IGBT作为高频开关器件在国内外被迅速地应用于各种需要大容量、高开关速度的场合。而要保证IGBT的可靠工作，其驱动电路的设计至关重要，大功率IGBT在大功率电力电子装置所需的驱动及保护要求更加苛刻，所以要设计功能全面的驱动器保证IGBT可靠运行。

本文主要通过焊接、调试一款驱动大功率IGBT的驱动电路板，以及通过实验验证驱动板的功能来介绍大功率IGBT的驱动电路，以及介绍一种改进的有源钳位电路。

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