基于QD3006 IGBT驱动电路的应用研究
1 引言
IGBT是MOSFET和双极晶体管的复合器件，它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管高电压、大电流等优点[1]。正常清况下工作频率为几十千Hz，多用在频率较高的应用场合，中、大功率应用占据着主导地位。性能优良的驱动是保证IGBT高效、可靠工作的必要条件。在设计工作中IGBT的驱动电路是电路设计的难点和关键。传统的由分立元件构成的IGBT驱动电路可靠性和性能比较差，实际应用中大多采用厚膜驱动与专用集成驱动电路的形式。本文采用的是厚膜集成驱动QD3006。
2 IGBT驱动电路要求
2.1 IGBT开通要求
理论上VGE≥VGE（th）时IGBT导通；当VGE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。正向VGE越高，IGBT 器件的VGES越低，越有利于降低器件的通态损耗，但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过电压增大。因此，正偏压要适当，一般不允许VGE超过+20V。典型值一般为+15V。
2.2 IGBT关断要求
关断IGBT时，必须为IGBT器件提供-5~-15V的反向电压VGE，以便尽快抽取IGBT器件内部存储的电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。采用反偏压可减少关断损耗，提高IGBT工作时的可靠性。典型值一般为-9V。
2.3 栅极电阻要求
要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻RG，用以控制VGE的前后沿陡度，进而控制IGBT器件的开关损耗。RG增大，VGE的前、后沿变缓，IGBT的开关过程延长，开关损耗增大；RG减小，VGE的前、后沿变陡，IGBT器件的开关损耗降低，同时集电极变化率增大。较小的栅极电阻使得IGBT导通时的di/dt变大，会导致较大的dv/dt，增大了续流二极管的恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极电阻时要兼顾到这两方面的问题。因此RG的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧到几十欧。
2.4 IGBT的保护
驱动电路应具有过压保护和dv/dt保护能力。当发生短路或过流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。
3 目前常用IGBT存在的不足
目前，IGBT应用领域的驱动方案很多，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，许多公司都设计制造了专用的IC芯片，如三菱公司的M579×××系列（如M57962L和M57959L）、富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）等，但EXB841主要有以下缺点：①关断负电压为-5V且不可调。但-5 V关断电压往往不能实现大功率IGBT快速可靠关断的要求；②集射极电压保护阈值过高且不可调。EXB841的集射极电压保护阈值在7. 5 V左右，远高于IGBT器件的饱和压降，实践证明，此值过高；③慢关断时间无法调节。而M57962的主要缺点是它需要两个供电电源，这样不仅增加了驱动电路的复杂性，也增加了驱动电路的不可靠性。而且它适用的最大开关频率为20kHz，在追求高开关频率的场合下此开关频率可能达不到要求。
4 新款IGBT驱动器—QD3006
针对上述产品存在的不足，这里提出一款新型的IGBT驱动器QD3006，如图1所示。它是采用单电源供电的单管大功率IGBT模块，可根据用户需要设定IGBT的短路阈值电压、保护盲区时间、软关断斜率、故障后再次启动的时间以及提供了与微机故障保护的应用接口。而且它使用单一电源，电源电压可在20～25V间，用户选择范围宽。驱动器内部设有负压分配器，减少了外部元器件。
图1 QD3006原理框图
4.1 QD3006驱动应用电路
QD3006的驱动应用电路如图2所示。驱动器的工作电压Vp= 20～25V。滤波电容Cc、Ce、Cp可用22～47μF电解电容、再各并联一个1μ左右的Cbb无感电容，耐压均≧35V，防止IGBT开关影响到驱动器内部电源。
输入光耦的信号电流应在10mA左右，Ri=(Vim－1.5)/10mA，Vim为输入PWM信号峰值，1.5V为驱动器内部压降。当PWM IC的供电电压为15V时，可取Ri=1.2KΩ。Ci为加速电容，可取470pF。
栅极电阻Rg 取值 0.5～15Ω。Rge主要是保护IGBT的米勒电容产生的米勒效应。一般可选 Rge≧4.7 KΩ/0.25W。
15脚是IGBT的过流检测端，其中 Dhv是检测集电极的电压以达到检测 IGBT 过流的目的。此二极管的耐压不能太低，一般按直流母线电压承受耐压值的1.5～2倍值选取，隔离反馈二极管Dhv应选用高压快恢复管，如HER107、FUR1100等。
在15脚的快恢复二极管Dhv回路中串联电阻，并加一个限幅稳压管，可以有效的保护驱动，增加可靠性。
图2 QD3006外围典型应用电路
软关断开始的时刻，驱动器的5脚输出低电平报警信号，可以接一个光耦，将信号传送给控制电路。
5 实验测试及其输出波形分析
5.1 正常输入输出波形的测试
正常输出波形的测试主要测试驱动器正常情况下的输出幅值，以确定驱动器的驱动性能。设置PWM输出频率为100kHz，占空比为0.3的矩形波信号。此时QD3006的输入输出如图3所示。
图3 PWM输入经QD3006驱动输出的波形
由图3可以看出，QD3006输出正电平约为15.5V，负电平约为-9V。这使得QD3006能很好地实现IGBT正常工作时的开通与关断。
5.2 短路时的输入输出波形的测试
短路过流主要测试IGBT长时间短路时，驱动器对短路的判断和处理情况。由于IGBT能承受的短路时间是很短的（大约10uS），所以一般要求驱动器在判断IGBT短路并动作的一段时间后将驱动器源信号的闭锁解除。
图4 QD3006短路过流时的保护波形
QD3006自身带有短路软关断动作再启动功能，并且再启动时间可调（其复位时间Trst=5mS）。从图中可以看出，IGBT连续过流时，QD3006能在再启动时间内闭锁控制器的输出，而后重新开放减少反复冲击造成的伤害，更有效的保护IGBT。
6 结论
本文针对目前广泛使用的IGBT驱动器的缺陷，研究了专用的高速特大功率IGBT驱动模块QD3006，并给出了其典型的应用电路，通过实验结果进一步表明QD3006能很好地驱动IGBT，当IGBT发生短路故障时，能可靠地改变输出，同时通过光耦给控制器发出故障信号，从而保护IGBT不被损坏。因此验证了此驱动器的可靠性与稳定性，也为其相关设计积累经验。
目前此类驱动器已成功应用在逆变器、不间断电源、变频器、电焊机、伺服系统及轨道交通等领域。