基于IGBT模塊驅(qū)動及保護技術(shù)研究

　　IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。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、中功率應用中占據(jù)了主導地位。

　　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IGBT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)斷的動態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動電路也必須輸出一定的峰值電流。

　　IGBT作為一種大功率的復合器件，存在著過流時可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時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)動和保護特性是十分必要的。

　　柵極特性

　　IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動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Cge和Cgc，以及發(fā)射極驅(qū)動電路中存在有分布電感Le，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實際驅(qū)動波形與理想驅(qū)動波形不完全相同，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)流二極管的電感負載電路(見圖1)得到驗證。

　　在t0時刻，柵極驅(qū)動電壓開始上升，此時影響柵極電壓uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，柵極電壓上升較快。在t1時刻達到IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時開始有2個原因?qū)е聈ge波形偏離原有的軌跡。

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

　　其次，另一個影響柵極驅(qū)動電路電壓的因素是柵極-集電極電容Cgc的密勒效應。t2時刻，集電極電流達到最大值，進而柵極-集電極間電容Cgc開始放電，在驅(qū)動電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅(qū)動電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動電壓。顯然，柵極驅(qū)動電路的阻抗越低，這種效應越弱，此效應一直維持到t3時刻，uce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t3時刻后，ic達到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓uge的因素消失后，uge以較快的上升率達到最大值。

　　由圖1波形可看出，由于Le和Cgc的存在，在IGBT的實際運行中uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動電壓上升的效應，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，應使IGBT模塊的Le和Cgc及柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。

　　IGBT關(guān)斷時的波形如圖2所示。t0時刻柵極驅(qū)動電壓開始下降，在t1時刻達到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進入線性工作區(qū)，uce開始上升，此時，柵極-集電極間電容Cgc的密勒效應支配著uce的上升，因Cgc耦合充電作用，uge在t1-t2期間基本不變，在t2時刻uge和ic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，uge及ic均降為零，關(guān)斷結(jié)束。

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

　　柵極串聯(lián)電阻對柵極驅(qū)動波形的影響

　　柵極驅(qū)動電壓的上升、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)部少子的復合速率，少子的復合受MOSFET的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動對IGBT的關(guān)斷也有影響。

　　在高頻應用時，驅(qū)動電壓的上升、下降速率應快一些，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，越容易導致IGBT損害。此時應降低柵極驅(qū)動電壓的上升速率，即增加柵極串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價是較大的開通損耗。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)計要求進行全面綜合的考慮。

　　柵極電阻對驅(qū)動脈沖的波形也有影響。電阻值過小時會造成脈沖振蕩，過大時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Cge隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動脈沖前后沿速率，對于電流容量大的IGBT器件，應提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應隨著IGBT電流容量的增加而減小。

　　IGBT的驅(qū)動電路

　　IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能：

　　1.是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離;

　　2.是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。

　　集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動器

　　圖4為由集成電路TLP250構(gòu)成的驅(qū)動器。TLP250內(nèi)置光耦的隔離電壓可達2500V，上升和下降時間均小于0.5μs，輸出電流達0.5A，可直接驅(qū)動50A/1200V以內(nèi)的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅(qū)動電流容量更大的IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動器體積小，價格便宜，是不帶過流保護的IGBT驅(qū)動器中較理想的選擇。

　　IGBT的過流保護

　　IGBT的過流保護電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的(1.2～1.5倍)的過載保護;一類是高倍數(shù)(可達8～10倍)的短路保護。

　　對于過載保護不必快速響應，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護，一旦動作后，要通過復位才能恢復正常工作。

　　IGBT能承受很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該IGBT的導通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時間迅速減小。

　　通常采取的保護措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了，器件仍然壞了。

　　降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。降柵壓后設(shè)有固定延時，故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關(guān)斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號消失，驅(qū)動電路可自動恢復正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。

　　上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關(guān)系，而在實際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的di/dt。慢降柵壓技術(shù)就是通過限制降柵壓的速度來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值。圖5給出了實現(xiàn)慢降柵壓的具體電路。

　　當電路發(fā)生過流和短路故障時，V1上的uce上升，a點電壓隨之上升，到一定值時，VZ1擊穿，VT1開通，b點電壓下降，電容C1通過電阻R1充電，電容電壓從零開始上升，當電容電壓上升到約1.4V時，晶體管VT2開通，柵極電壓uge隨電容電壓的上升而下降，通過調(diào)節(jié)C1的數(shù)值，可控制電容的充電速度，進而控制uge的下降速度;當電容電壓上升到穩(wěn)壓二極管VZ2的擊穿電壓時，VZ2擊穿，uge被鉗位在一固定的數(shù)值上，慢降柵壓過程結(jié)束，同時驅(qū)動電路通過光耦輸出過流信號。如果在延時過程中，故障信號消失了，則a點電壓降低，VT1恢復截止，C1通過R2放電，d點電壓升高，VT2也恢復截止，uge上升，電路恢復正常工作狀態(tài)。

　　IGBT開關(guān)過程中的過電壓

　　關(guān)斷IGBT時，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達到數(shù)kA/μs。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導致IGBT關(guān)斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制。

　　IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路

　　為了使IGBT關(guān)斷過電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型。充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。

　　RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產(chǎn)生壓降，還會造成過沖電壓。RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過沖電壓。

　　從吸收過電壓的能力來說，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。對緩沖吸收電路的要求是：

　　1.盡量減小主電路的布線電感La;

　　2.吸收電容應采用低感吸收電容，它的引線應盡量短，最好直接接在IGBT的端子上;

　　3.吸收二極管應選用快開通和快軟恢復二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復引起較大的振蕩過電壓。

　　結(jié)語

　　本文對IGBT的驅(qū)動和保護技術(shù)進行了詳細的分析，得出了設(shè)計時應注意幾點事項：

　　1.IGBT由于有集電極-柵極寄生電容的密勒效應影響，能引起意外的電壓尖峰損害，所以設(shè)計時應讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除其負面影響。

　　2.柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程及驅(qū)動脈沖的波形都有很大影響。所以設(shè)計時應綜合考慮。

　　3.應采用慢降柵壓技術(shù)來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值，達到短路保護的目的。

　　4.在工作電流較大的情況下，為了減小關(guān)斷過電壓，應盡量減小主電路的布線電感，吸收電容器應采用低感型。