摘要：在轨道交通领域，高压IGBT模块作为功率变换的核心器件安装在牵引变流器、辅助变流器中实现电能的变化，IGBT模块的运行状态直接决定了变流器装置的性能和可靠性。本文就IGBT模块在实际应用过程中，驱动电路的作用、意义及基本功能进行了阐述，同时对门极电阻等参数对IGBT的开通、关断特性进行简单分析。
关键词：变流器 IGBT 驱动电路
0 引言
铁路作为国家重要的基础设施，国民经济的大动脉，大众化的交通工具，近年来在我国得到了显著的发展。围绕铁路“高速、重载”的发展方向，我国已开行一批具有世界先进水平的高速动车组和大功率交流传动电力机车（如：CR400、CR200、HXD21000等）。电力牵引传动系统是高速动车组和大功率电力机车的原动力，牵引辅助变流器、功率模块作为功率变换的核心器件，安全、高效、可靠、节能、环保是变流装置的基本要求。
1 IGBT模块驱动简介
功率半导体开关器件的驱动电路也称驱动器，驱动器位于控制电路和主电路之间，用来转换和响应控制电路的信号，从而控制主电路中功率器件的开通和关断。作为功率开关器件，高压IGBT模块的工作状态直接影响电力电子装置整机的性能。而驱动器直接决定着高压IGBT模块能否安全工作，性能优越的驱动器可以使功率器件工作在良好的工作状态下，从而保证整机运行的稳定性、高效性和安全性。因此选择或设计合理的驱动电路就显得尤为重要。
IGBT是电压控制型开关器件，它的开通过程可以看作是对门极电容的充电过程，关断过程可以看作是对门极电容的放电过程。电压控制型驱动是现阶段最常见的一种驱动方式，通过门极电压和和适当阻值的门极驱动电阻，来控制门极电容的充电和放电，或者采用不同的驱动电阻来分别控制IGBT的开通和关断。
2 IGBT模块驱动电路基本功能
2.1提供适当的门极正偏压和负偏压，是高压IGBT模块可靠地开通和关断；
驱动电路需要在IGBT开通时提供一定幅值的正向电压，向门极电容充电使IGBT达到饱和。在关断时提供一定幅值的关断负压来抽取门极电容中储存的电荷。
高压IGBT模块导通后的饱和压降VCE（sat）与所加门极-发射极正偏压+VGE有关，在集电极电流一定的情况下，正向偏置电压+VGE越高，VCE（sat）就越低，IGBT的通态损耗就越小，这有利于发挥高压IGBT模块的电流输出能力。但若+VGE过大，则短路电流就会随着正向偏置电压的升高而增大，高压IGBT模块损坏的可能性就越大，对模块安全不利。因此正向偏置电压+VGE要适当，通常以15V最为合适。
在高压IGBT模块关断期间，由于电路中其他部分仍在工作，会在门极电路中产生干扰信号，这些信号轻则会使本该截止的高压IGBT模块处于轻微导通状态，增加模块的损耗，重则将使电路的上下桥臂发生直通，造成短路。因此要在因处于截止状态的高压IGBT模块加上反向偏置电压-VGE，使其在门极出现干扰时仍然能够可靠截止，对于高压IGBT模块来讲，反向偏置电压-VGE一般选取-15V～-10V。
2.2 能够提供足够大的平均功率和瞬时电流，使高压IGBT模块能够及时迅速的建立栅控电场而导通
驱动电路必须具有足够的瞬时电流吞吐能力，才能使高压IGBT模块门极电压建立或消失得足够快，从而使开关损耗将至最低水平。此外，驱动电源应有足够的功率，以满足门极对驱动功率的要求。驱动电源是整个驱动器正常工作的最基本保障，驱动功率是衡量一款驱动电源的重要参数，在开关过程中，需要门极电源提供足够的功率，门极平均驱动功率PGavg由门极总电荷量、门极电压变化△VGe、开关频率fSW共同决定，关系如下公式所示：
门极驱动电流是设计驱动器时需要考虑的一个重要参数，包括门极峰值电流和平均电流。驱动电路能够提供的峰值电流必须足够大，才能保证电路工作在最大电压摆幅和最小门极电阻时电阻时得到足够的驱动电流，因此这就要求驱动电路有一定的瞬时电流输出能力。
2.3 能够提供足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与门极驱动电路绝缘
由于控制器与主电路之间存在极大的电位差异，并且开关状态下的主电路存在非常严重的电磁干扰，为避免低压侧控制电路与高压侧主电路之间的干扰，二者之间的信号传输也应以隔离的方式完成。另外在桥式电路应用中，上下半桥IGBT的驱动信号也应相互隔离。
在高压IGBT模块驱动中，门极隔离方式分为电磁式隔离和光电式隔离两种。脉冲变压器隔离就是典型的电磁式隔离方法，PWM驱动信号经高频晶体管进行功率放大后加到脉冲变压器上，由脉冲变压器进行隔离耦合后再驱动高压IGBT模块，脉冲变压器隔离方法的优点是在实现驱动信号隔离的同时，也传输了驱动功率。光电式隔离有光耦隔离和光纤隔离等方式，低压IGBT模块经常采用光耦来进行信号的隔离，而高压IGBT模块经常采用光纤来进行信号隔离。
2.4 具有完善的保护功能
IGBT工作在高电压大电流的恶劣环境下，常常因各种原因超出安全工作区而缩短器件的寿命或发生失效损坏，这些均会影响IGBT模块的正常工作，使模块的性能和使用寿命下降，严重时会很快导致模块损坏，同时还影响系统内部其他设备的正常运行。因此驱动电路应具备过电压保护、短路保护、过温保护、欠压保护等，同时还应考虑到短脉冲抑制、死区时间、互锁等功能。
3 驱动电路门极电阻对IGBT工作的影响
驱动电路中的门极驱动电阻由IGBT的内阻、驱动电路内阻和外部串联电阻。在门极驱动电压不变的情况下，门极驱动电阻与IGBT的开通关断所需的时间、开通关断过程中产生的损耗、集电极电压和电流的变化率等都有极大的关系。门极电阻阻值越大，门极的充放电电流就会越小，门极电容的充放电速率就越慢，IGBT的集电极电流峰值和关断过电压尖峰可以得到一定程度的抑制，但也延长了IGBT的开通和关断时间，从而增加了开关损耗。相反，门极电阻阻值越小，有利于提高IGBT的开通和关断速率，减小开通关断损耗，但门极电阻过小，会增大关断时电流变化率，进而在杂散电感上感应出较更高的关断电压尖峰，可能会造成IGBT的损坏。
门极-发射极回路中的电感和电容都是无功元件，在没有门极驱动电阻的情况下，大部分的能量都会直接消耗在驱动器的输出级，这样会使输出管的结温急剧上升，影响IGBT的性能，长时间处于高温状态下工作会对IGBT造成损坏，甚至烧损或炸管。此外由于门极-发射极之间不可避免的寄生电感，在没有门极电阻的情况下，门极电压会产生非常大的振荡，门极电阻的引入，可以加快门极电压振荡的衰减。
4 结束语
本文介绍了高压IGBT驱动电路的基本功能及原理。高压IGBT驱动电路在保障IGBT器件、牵引辅助系统安全、可靠、稳定的运行中起到了至关重要的作用。对大功率IGBT而言，选择驱动电路要基于IGBT器件的开通特性、关断特性、通态压降、门极电荷等方面进行考虑。通过保护功能、驱动参数的优化，逐步提升驱动电路的可靠性。
参考文献：
[1]安德烈亚斯•福尔克 迈克尔•郝康普.《IGBT模块：技术、驱动和应用》，机械工业出版社
[2]龚熙国 龚熙战.《高压IGBT模块应用技术》，机械工业出版社
[3]杨媛 文阳.《大功率IGBT驱动与保护技术》，科学出版社
肖轲远，男，1992年7月22日，山西省永济市，助理工程师，大学本科，功率模块设计
论文作者:肖轲远,侯丹阳
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/4/30