中心論題：
- 分析EXB841、M57962AL、GH一039、HL402四類模塊的結構和典型應用
- 比較EXB841、M57962AL、GH一039、HL402、IR、UC37系列驅動器模塊
解決方案：
- M57962AL較EXB841更安全、可靠
- HL402在四者中保護功能最強，保護功能設計最合理、保護性能使用最方便
引言
隨著電力電子技術朝著大功率、高頻化、模塊化發展，絕緣柵雙極品體管(IGBT)已廣泛應用于開關電源、變頻器、電機控制以及要求快速、低損耗的領域中。IGBT是復合全控型電壓驅動式電力電子器件，兼有MOSFET和GTR的優點：輸入阻抗高，驅動功率小，通態壓降小，工作頻率高和動態響應快。目前，市場上500~3000V，800～l800A的IGBT，因其耐高壓、功率大的特性，已成為大功率開關電源等電力電子裝置的首選功率器件。
驅動保護電路的原則
由于是電壓控制型器件，因此只要控制ICBT的柵極電壓就可以使其開通或關斷，并且開通時維持比較低的通態壓降。研究表明，IGBT的安全工作區和開關特性隨驅動電路的改變而變化。因此，為了保證IGBT可靠工作，驅動保護電路至關重要。
IGBT驅動保護電路的原則如下：
(1)動態驅動能力強，能為柵極提供具有陡峭前后沿的驅動脈沖；
(2)開通時能提供合適的正向柵極電壓(12~15V)，關斷時可以提供足夠的反向關斷柵極電壓(一5V)；
(3)盡可能少的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率；
(4)足夠高的輸入輸出電氣隔離特性，使信號電路與柵極驅動電路絕緣；
(5)出現短路、過流的情況下，具有靈敏的保護能力。
目前，在實際應用中，普遍使用驅動與保護功能合為一體的IGBT專用的驅動模塊。
集成驅動模塊
為了解決IGBT的可靠驅動問題，世界上各廠家丌發出了眾多的IGBT集成驅動模塊。如日本富士公司的EXB系列，三菱電機公司的M57系列，三社電機公司的GH系列，美國國際整流器公司的TR系列，Unitrode公司的UC37系列以及國產的HL系列。以下是幾種典型的集成驅動模塊。
EXB841模塊的分析
EX841高速驅動模塊為15腳單列直插式結構，采用高隔離電壓光耦合器作為信號隔離，內部結構圖如圖l所示，其工作頻率可達40 kHz，可以驅動400 M600 V以內及300 A/l200 V的IGBT管，其隔離電壓可達2500AC/min，工作電源為獨立電源20±1V，內部含有一5V穩壓電路，為ICBT的柵極提供+15V的驅動電壓，關斷時提供一5V的偏置電壓，使其可靠關斷。當腳15和腳14有10 mA電流通過時，腳3輸出高電平而使IGBT在1μs內導通；而當腳15和腳14無電流通過時，腳3輸出低電平使IGBT關斷；若ICBT導通時因承受短路電流而退出飽和，Vce迅速上升，腳6懸空，腳3電位在短路后約3．5μs后才開始軟降。
EXB841典型應用圖如圖2所示，電容C1、C2用于吸收高頻噪音。當腳3輸出脈沖的同時，通過快速二極管D1檢測IGBT的C—E間的電壓。當Vce>7V時，過流保護電流控制運算放大器，使其輸出軟關斷信號，在10μs內將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護電路，一旦產生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護信號輸出，經過一定延時，以防止誤動作和保證進行軟關斷，然后由觸發器鎖定，實現保護。
缺點：EXB84l過流保護閥值過高，Vce>7V時動作，此時已遠大于飽和壓降；存在保護肓區；在實現止常關斷時僅能提供一5V偏壓，在開關頻率較高、負載過大時，關斷就顯得不可靠；無過流保護自鎖功能，在短路保護時其柵壓的軟關斷過程被輸入的關斷信號所打斷。
M57962L模塊的分析
M57962AL是一種14腳單列直捕式結構的厚膜驅動模塊，其內部結構圖如圖3所示。它由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復位電路以及門關斷電路組成，驅動功率大，町以驅動600A/600V及400A/l200V等系列IGBT模塊。
M5796AL具有高速的輸入輸出隔離，絕緣電壓也可達到AC 2500V/min；輸入電平與TTL電平兼容，適于單片機控制；內部有定時邏輯短路保護電路，同時具有延時保護特性；采用雙電源供電方式，相對于EXB84l來說，雖然多使用一個電源．但IGBT可以更可靠地通斷。
典型應用圖如圖4所示。當驅動信號通過腳14和腳13時，經過高速光耦隔離，由M57962AL內置接口電路傳輸至功率放大極，在M57962AL的腳5產生+15V開柵和一10V關柵電壓，驅動IGBT通斷。當腳1檢測到電壓為7V時，模塊認定電路短路，立即通過光耦輸出關斷信號，使腳5輸出低電平，從而將IGBT的G—E兩端置于負向偏置，可靠關斷。同時，輸出誤差信號使故障輸出端(腳8)為低電平，從而驅動外接的保護電路工作。延時2～3s后，若檢測到腳13為高電平，則M57962AL恢復工作。穩壓管DZ1用于防止D1擊穿而損壞M57962AL，Rg為限流電阻，DZ2和DZ3起限幅作用，以確?？煽客〝?。
比較：與EXB841相比，M57962AL需要雙電源(+15V，一1OV)供電，外周電路復雜。而正是因為M57962AL可輸出一10V的偏壓，使得IGBT可靠地關斷；另外，M57962AL具有過流保護自動閉鎖功能，并且軟關斷時間可外部調節，而EXB84l的軟關斷時間無法調節。所以M57962AL較EXB841更安全、可靠。
HL402模塊的分析
HL402是17腳單列直插式結構，內置有靜電屏蔽層的高速光耦合器實現信號隔離，抗干擾能力強，響應速度快，隔離電壓高。它具有對IGBT進行降柵壓、軟關斷雙重保護功能，在軟關斷及降柵壓的同時能輸出報警信號，實現封鎖脈沖或分斷主回路的保護。它輸出驅動電壓幅值高，正向驅動電壓可達15～17V，負向偏置電壓可達10～12V，因而可用來直接驅動容量為400A/600V及300A/1200V以下的IGBT。
HL402結構圖如圖5所示。圖5中，VL1為帶靜電屏蔽的光耦合器，它用來實現與輸入信號的隔離。由于它具有靜電屏蔽，因而顯著提高了HL402抗共模干擾的能力。圖5中U1為脈沖放大器，S1、S2實現驅動脈沖功率放大，U2為降柵壓比較器，正常情況下由于腳9輸入的IGBT集電極電壓VCE不高于U2的基準電壓VREF，U2不翻轉，S3不導通，故從腳17和腳16輸入的驅動脈沖信號經S2整形后不被封鎖。該驅動脈沖經S2、S2放大后提供給IGBT使其導通或關斷，一旦IGBT退飽和，則腳9輸入集電極電壓給IGBT使其導通或關斷，并且腳9輸入的集電極電壓采樣信號VCE高于U2的基準電壓VREF，比較器U2翻轉輸出高電平，使S3導通，由穩壓管DZ2將驅動器輸出的柵極電壓VGE降低到10V。此時，軟關斷定時器U3在降柵壓比較器U2翻轉達到設定的時間后，輸出正電壓使S4導通，將柵極電壓軟關斷降到IGBT的柵射極門限電壓，給IGBT提供一個負的驅動電壓，保證IGBT可靠關斷。
HL402典型應用圖如圖6所示。在實際電路中，C1、C2、C3、C4需盡可能地靠近H1402的腳2、腳l、腳4安裝。為了避免高頻耦合及電磁干擾，由HL402輸出到被驅動IGBT柵射極的引線需要采用雙絞線或同軸電纜屏蔽線，其引線長度不超過1m。腳9和腳13接至IGBT集電極的引線必須分開走，不得與柵極和發射極引線絞合，以免引起交叉干擾。光耦合器L1可輸入脈沖封鎖信號，當L1導通時，HLA02輸出脈沖立即被封鎖至-10V。光耦合器L2提供軟關斷報警信號，它在軀動器軟關斷的同時導通光耦合器L3，提供降柵壓報警信號。使用中，通過調整電容器C5、C6、C7的值，可以將保護波形中的降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關斷斜率時間調整至合適的值。在高頻應用時，為了避免IGBT受到多次過電流沖擊，可在光耦合器L2輸出數次或1次報警信號后，將輸入腳16和腳17間的信號封鎖。
小結：以上三者中，M57962AL和HL402都采用陶瓷基片黑色包裝，EXB841采用覆銅板黃色包裝，由于陶瓷基片的散熱性能和頻率特性比覆銅板好，HL402的負載能力和散熱性能最好，加之合理的布局設計，在三者中的工作頻率最高，保護功能最全，而EXB841和M57962AL都沒有降柵壓保護功能。另外，HL402和M57962AL提供負偏壓的穩壓管，放于外部，既有靈活性又提高了可靠性，而EXB841的穩壓管在內部，經常因穩壓管的損壞而失效。因此，HL402憑借其優越的性能可以彌補另外兩者的缺陷。
GH-039模塊的分析
GH-039采用單列直插式12腳封裝，功耗低、工作中發熱很小，可以高密度使用它采用單電源工作，內置高速光耦合器，帶有軟關斷過流保護電路，過流保護除閉鎖自身輸出外，還給出供用戶使用的同步輸出端。它可以用來直接驅動300A/600V以下的IGBT模塊。
其內部結構圖如圖7所示，工作原理與EXB和M57系列模塊相類似，這里不再贅述。而與EXB系列和M57系列的模塊不同的是該模塊已含有保護后發送報警或動作信號的光耦合器，所以使用中不需要像EXB和M57系列的模塊外接光耦合器，因而更加方便，其性能比EXB和M57系列的模塊在保護性能上更加優越；在可靠性方面，由于GH-039是單電源供電，不能提供負偏壓，從而導致ICBT不能可靠地關斷。與HL402相比，CH-039保護功能還不完善，它也同EXB841和M57962AL一樣無降柵壓保護。因此，GH-039驅動模塊也是有缺陷的。
GH-039典型接線圖如圖8所示。工作電源VCC為26V；為了保持電壓穩定，濾波電容器應盡可能靠近GH一039模塊安裝和使用，且其電容值不能小于10μF，并應選用高質量的電容；串入GH-039腳12與ICBT集電極之間的二極管D1，應選超快速恢復二極管，并且要保證其反向耐壓不低于ICBT的集電極與柵極之間的額定電壓；為防止所連接的過流保護端子光電隔離器的誤動作，應在D1與GH一039的腳12之間串入100Ω的電阻；接于腳lO與腳12之間的D2選用超快速恢復二極管，其反向耐壓可以低于IGBT的集射極間耐壓。
其他驅動器
(1)IR系列驅動器 IR系列驅動器主要是為驅動橋臂電路而設計的，該芯片具有14腳，DIP封裝。它具有過流保護和欠壓保護功能，特別是它具有自舉浮動電源大大簡化了驅動電源的設計，只用一路電源即可驅動多個功率器件。其缺點是本身不能產生負偏壓，當用于驅動橋式電路時，由于米勒效應的作用，在開通與關斷時刻，容易在柵極上產生干擾，造成橋臂短路；另外IR系列驅動器采用了不隔離的驅動方式，在主電路的功率器件損壞時，高壓可能直接串入驅動器件，致使驅動模塊及前極電路損壞。
(2)UC37系列驅動器 該系列驅動器一般由UC3726和UC3727兩片芯片配對使用，其工作頻率較高，但在兩芯片之間需增加脈沖變壓器，給電路的使用和設計帶來不便，因此該系列驅動器在我同并未得到推廣。
結語
通過以上分析比較，可得到如下結論：
(1)以上6個系列的驅動器均能實現對IGBT的驅動與保護；
(2)EXB84l外周電路簡單，僅需單電源供電，是最早進入我國市場的ICBT驅動模塊，技術成熟，應用廣泛；
(3)EXB841與M57962AL在IGBT關斷期間均能在柵極上施加負電壓，進一步保證了IGBT的可靠關斷；
(4)EXB841、M57962AL、GH一039和HL402都是自身帶有對IGBT進行退飽和及過流保護功能的ICBT驅動模塊，且都是通過檢測IGBT集射極間的電壓來完成保護功能的。但EXB841、M57962AL、GH一039在ICBT出現退飽和或過流時，僅可進行軟關斷的保護。而HL402不但能進行軟關斷保護，還可進行降柵壓保護。因此，HL402是四者中保護功能最強，保護功能設計最合理和保護性能使用最方便的IGBT驅動器；
(5)驅動相同個數的IGBT功率開關時，IR系列所需工作電源最少，但不具有負偏壓，容易造成橋臂短路，適用于小功率驅動場合。
