IGBT模塊驅(qū)動(dòng)及保護(hù)技術(shù)

摘要：對IGBT柵極驅(qū)動(dòng)特性、柵極串聯(lián)電阻及其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了探討。提出了慢降柵壓過流保護(hù)和過電壓吸收的有效方法。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；絕緣柵雙極晶體管；驅(qū)動(dòng)保護(hù)

Technology of Drive ＆ Protection Circuit for IGBT Module

JIANG Huai-gang, LI Qiao, HE Zhi-wei

Abstract:The gate drive characteristic,the gate series resistance and the drive circuit of IGBT are discussed,and the technique of overcurrent protection by reducing gate voltage slowly is presented.It is also given that effective protective method of overvoltage.

Keywords:Switching power supply; IGBT; Driving protection

中圖分類號：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0219－2713(2003)04－0132－05

1 引言

IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有μA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但I(xiàn)GBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)A的充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必須輸出一定的峰值電流。

IGBT作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分必要的。

2 柵極特性

IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極－集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。

由于IGBT的柵極－發(fā)射極和柵極－集電極間存在著分布電容C_ge和C_gc，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感L_e，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負(fù)載電路（見圖1）得到驗(yàn)證。

(a)等 效 電 路 (b)開 通 波 形

圖1 IGBT開關(guān)等效電路和開通波形

在t₀時(shí)刻，柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始上升，此時(shí)影響柵極電壓u_ge上升斜率的主要因素只有R_g和C_ge，柵極電壓上升較快。在t₁時(shí)刻達(dá)到IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時(shí)開始有2個(gè)原因?qū)е?i>u_ge波形偏離原有的軌跡。

首先，發(fā)射極電路中的分布電感L_e上的感應(yīng)電壓隨著集電極電流i_c的增加而加大，從而削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并且降低了柵極－發(fā)射極間的u_ge的上升率，減緩了集電極電流的增長。

其次，另一個(gè)影響柵極驅(qū)動(dòng)電路電壓的因素是柵極－集電極電容C_gc的密勒效應(yīng)。t₂時(shí)刻，集電極電流達(dá)到最大值，進(jìn)而柵極－集電極間電容C_gc開始放電，在驅(qū)動(dòng)電路中增加了C_gc的容性電流，使得在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓。顯然，柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到t₃時(shí)刻，u_ce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t₃時(shí)刻后，i_c達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓u_ge的因素消失后，u_ge以較快的上升率達(dá)到最大值。

由圖1波形可看出，由于L_e和C_gc的存在，在IGBT的實(shí)際運(yùn)行中u_ge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動(dòng)電壓上升的效應(yīng)，表現(xiàn)為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減緩此效應(yīng)，應(yīng)使IGBT模塊的L_e和C_gc及柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。

IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖2所示。t₀時(shí)刻柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始下降，在t₁時(shí)刻達(dá)到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進(jìn)入線性工作區(qū)，u_ce開始上升，此時(shí)，柵極－集電極間電容C_gc的密勒效應(yīng)支配著u_ce的上升，因C_gc耦合充電作用，u_ge在t₁－t₂期間基本不變，在t₂時(shí)刻u_ge和i_c開始以柵極－發(fā)射極間固有阻抗所決定的速度下降，在t₃時(shí)，u_ge及i_c均降為零，關(guān)斷結(jié)束。

由圖2可看出，由于電容C_gc的存在，使得IGBT的關(guān)斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇C_gc較小的IGBT器件；另一方面應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗，使流入C_gc的充電電流增加，加快了u_ce的上升速度。

圖 2 IGBT關(guān) 斷 時(shí) 的 波 形

在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的u_ge幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降：u_ge增加，飽和導(dǎo)通電壓將減小。由于飽和導(dǎo)通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常u_ge為15～18V，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關(guān)斷時(shí)給其柵極－發(fā)射極加一定的負(fù)偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。

3 柵極串聯(lián)電阻對柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響

柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對IGBT開通關(guān)斷過程有著較大的影響。IGBT的MOS溝道受柵極電壓的直接控制，而MOSFET部分的漏極電流控制著雙極部分的柵極電流，使得IGBT的開通特性主要決定于它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響較大。IGBT的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受MOSFET的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動(dòng)對IGBT的關(guān)斷也有影響。

在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些，以提高IGBT開關(guān)速率降低損耗。

在正常狀態(tài)下IGBT開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，則開通越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導(dǎo)致IGBT損害。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。

由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關(guān)斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率，減小關(guān)斷損耗，但過小會造成di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰。因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面綜合的考慮。

柵極電阻對驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有影響。電阻值過小時(shí)會造成脈沖振蕩，過大時(shí)脈沖波形的前后沿會發(fā)生延遲和變緩。IGBT的柵極輸入電容C_ge隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對于電流容量大的IGBT器件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng)隨著IGBT電流容量的增加而減小。