IGBT模塊（kuài）驅動及保（bǎo）護技術
2020-09-23 00:00:00 來源：河南（nán）星辰影视（cí）高中頻加（jiā）熱設備 點擊：4390 喜歡：0
1 引言
IGBT是MOSFET與雙（shuāng）極晶體管的複合器件。它既有MOSFET易（yì）驅動的特（tè）點，又具有功率晶體管（guǎn）電壓、電（diàn）流容量大等優點。其頻（pín）率特性介於MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作於幾十kHz頻率範圍內，故在（zài）較高（gāo）頻率的大、中功率應用中占（zhàn）據了主導地（dì）位。
IGBT是電壓控製型器件（jiàn），在它的柵極-發射極間施加十幾V的直流電壓，隻有μA級的漏電流（liú）流過（guò），基本上不消耗功率。但（dàn）IGBT的柵極-發射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅動（dòng）脈衝電壓（yā）的上升及下降沿需要提（tí）供數（shù）A的充放電（diàn）電流，才能滿足（zú）開通和關斷的動（dòng）態（tài）要求，這使得它的驅動電路（lù）也必須輸出一定的峰值電流。
IGBT作為一（yī）種大（dà）功（gōng）率的複合（hé）器件，存在著過流時可能發生鎖定現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（guò）高（gāo）的電流變化率會引起過電（diàn）壓，為此需要采用軟關斷技術（shù），因（yīn）而掌握好IGBT的驅動和保（bǎo）護特性（xìng）是十分必要的。
2 柵極特性
IGBT的柵極通過一層氧化膜與發射極（jí）實現電隔離。由於此氧化膜很薄，其擊穿電壓一（yī）般隻能達到20～30V，因（yīn）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（zhèng）了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電（diàn）壓，但柵極連線的寄生電感和柵極－集電極間的電容耦合，也會產生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來（lái）傳送驅動信號，以減小寄生電感。在柵極（jí）連線中串聯小電阻也（yě）可以抑製振蕩電（diàn）壓。
由於IGBT的柵（shān）極－發射極和柵（shān）極－集（jí）電極間存在著分布電（diàn）容Cge和Cgc，以及發射極驅動電（diàn）路中（zhōng）存（cún）在有分布電感Le，這些分布參數的影響，使得IGBT的實際驅動波（bō）形與理想驅動波形不完全相同，並產生（shēng）了不利於IGBT開通和關斷的因素。這可以用帶續流二極管的電感負載電路（見圖1）得到驗證。
(a)等 效 電 路 (b)開 通（tōng） 波 形
圖1 IGBT開關等效電路和開通（tōng）波形
在t0時刻，柵極驅動電壓開始上升，此時影響（xiǎng）柵（shān）極電壓uge上（shàng）升斜率的（de）主要因素隻有Rg和Cge，柵極電壓上升較快（kuài）。在t1時刻達（dá）到IGBT的柵（shān）極門檻值（zhí），集電極電流開始上升。從此時開始有2個原因導致uge波形偏離原有的軌跡。
首先，發射極電路中的分布電感（gǎn）Le上的感應電（diàn）壓隨著集電極（jí）電流（liú）ic的增加而加大，從而削弱了柵極驅動電壓，並且降低了柵極－發射極間的uge的上升率，減緩了集電極電流的增長。
其次，另一個影響柵極驅動電（diàn）路電壓（yā）的因素是柵極－集電極電容Cgc的密勒效應。t2時刻（kè），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（diàn），在驅動電路中增加了Cgc的容（róng）性電流，使得在驅動電路內阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅（qū）動電壓。顯然（rán），柵極驅動電路的阻抗越低，這種效應（yīng）越弱，此效應一直維持到t3時（shí）刻，uce降到零為止。它的影響（xiǎng）同樣減緩了IGBT的開通過程。在t3時（shí）刻後，ic達到穩態（tài）值，影響柵極電壓uge的因素消失後，uge以較快的上升率達到最大值。
由（yóu）圖1波形可看出，由於Le和（hé）Cgc的存在，在IGBT的實際運行中uge的上升（shēng）速率減緩了許多（duō），這種阻（zǔ）礙驅動電壓上升（shēng）的效應，表現為對集電極（jí）電流上升（shēng）及開通過程的阻礙。為了減緩此效應，應使（shǐ）IGBT模塊的（de）Le和Cgc及柵極驅動電路的內（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時刻柵極驅動電壓開始下降，在t1時刻達（dá）到剛能維持集電極正常工作電流的水（shuǐ）平，IGBT進入（rù）線性工（gōng）作區，uce開始上升，此時，柵極－集（jí）電極（jí）間電容Cgc的密勒效應支配（pèi）著uce的上升，因Cgc耦合充電（diàn）作用，uge在t1－t2期（qī）間基本不變，在（zài）t2時刻uge和ic開始以柵（shān）極－發射（shè）極間固有阻抗所決定的（de）速度下降，在t3時，uge及ic均降為零，關斷結束。
由圖2可看（kàn）出，由於電容Cgc的存在，使得IGBT的關斷過程也延長了許多（duō）。為了減（jiǎn）小此影響，一方麵應（yīng）選擇Cgc較小的IGBT器件；另一方麵（miàn）應減小驅動電路的內阻抗，使（shǐ）流入（rù）Cgc的充電電流增（zēng）加，加快了uce的上（shàng）升速度。
圖（tú） 2 IGBT關 斷 時 的 波 形（xíng）
在實（shí）際應用中，IGBT的uge幅值也（yě）影響著飽和導通壓降：uge增加，飽和導通電壓將減小。由於飽（bǎo）和導通電壓是IGBT發熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常uge為15～18V，若（ruò）過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關斷時給其柵極－發射極加（jiā）一定的（de）負偏壓有利於提高IGBT的抗騷擾能力，通常（cháng）取（qǔ）5～10V。
3 柵極串聯電（diàn）阻對柵極驅動波（bō）形的影響
柵極驅動電壓的上（shàng）升、下降速率對IGBT開通（tōng）關（guān）斷過程有著較大的影響。IGBT的（de）MOS溝（gōu）道受柵極電壓的（de）直接控製，而MOSFET部分的漏極電流控（kòng）製著雙極部分的柵極電流，使得IGBT的開通特性主要決定於它的MOSFET部分，所（suǒ）以IGBT的開通受柵極驅（qū）動波形的影響較大（dà）。IGBT的（de）關斷特性主要取決於內部少子的複合速率，少子的複合受MOSFET的關斷影響，所以（yǐ）柵極驅動對IGBT的關斷也有影響。
在高頻應用時，驅動電壓的上升、下降速率應快一些，以提高IGBT開關速率降低損耗（hào）。
在（zài）正常狀態（tài）下IGBT開通越快（kuài），損耗越小。但在開通過程中如有續流二極管的反向恢複電流和吸（xī）收電容的放電電流，則開通越快，IGBT承受的峰（fēng）值電流越大，越容易導致IGBT損害。此時應降低柵極驅（qū）動電（diàn）壓的上（shàng）升（shēng）速率（lǜ），即增加柵極串聯電阻的阻值，抑製該電流的峰（fēng）值。其代（dài）價是較大的開通損耗。利用此技術，開通過（guò）程的電流峰值可以控製在任意值。
由以上分析可知，柵極串聯電阻和驅動電（diàn）路內阻抗（kàng）對IGBT的開通過程影響較大，而對關斷過程影響小一些，串聯電阻小有利於加快關（guān）斷速率，減小關斷損耗，但（dàn）過小會造成di/dt過大，產生較大的集電極電壓尖峰。因此對串（chuàn）聯電阻要根（gēn）據具（jù）體設計（jì）要求（qiú）進（jìn）行全麵綜合的考（kǎo）慮。
柵極電阻對驅動脈衝的波形也有影響。電阻值過小（xiǎo）時會造成脈（mò）衝振蕩，過大時脈衝波形的前（qián）後沿會發生延遲和變緩。IGBT的柵極輸（shū）入電容Cge隨著其額定電流容量的增加（jiā）而（ér）增大。為了保持相同的驅動脈衝前後沿速率，對於電流（liú）容量大的IGBT器件，應提供較大的前後沿充電電流。為此，柵極串聯電阻的（de）電阻值應隨（suí）著IGBT電流容量的增加而減小。
4 IGBT的驅（qū）動電路
IGBT的驅動電路必須具備2個（gè）功能：一是實現控製電路與被（bèi）驅動IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的（de）柵極驅動脈衝。實（shí）現電隔離可采用脈衝變（biàn）壓器、微分變（biàn）壓器及光電耦合器。
圖3為采用光耦合器等分立元器件構成（chéng）的IGBT驅動電路。當輸入控製信號時，光耦VLC導通，晶體管V2截（jié）止，V3導通輸出＋15V驅動電壓。當（dāng）輸入控製（zhì）信號為零時（shí），VLC截止，V2、V4導通，輸出－10V電壓（yā）。＋15V和－10V電源需靠近驅動電路，驅（qū）動電路輸出端及電源地端至（zhì）IGBT柵極和發射極的引線（xiàn）應采用雙絞線（xiàn），長度最好不超過0.5m。
圖 3 由（yóu） 分 立 元 器 件 構 成 的 IGBT驅 動 電 路
圖4為由集成電路TLP250構成的驅動器。TLP250內置光耦的隔離電壓可達2500V，上升和下降時間（jiān）均小於0.5μs，輸出電流達0.5A，可直接驅動50A/1200V以內的IGBT。外加推挽放大晶體管後，可驅動電流容量更大的IGBT。TLP250構成的驅動器體積小，價格便宜，是不帶過流（liú）保護（hù）的IGBT驅動器（qì）中較（jiào）理（lǐ）想的選擇。
圖4 由 集 成 電 路TLP250構 成（chéng） 的 驅（qū） 動 器（qì）
5 IGBT的過流保護
IGBT的過流保護電路可分為（wéi）2類：一類是低倍數（shù）的（1.2～1.5倍）的過載保護；一類（lèi）是（shì）高倍數（可達8～10倍）的短路保護。
對於過載（zǎi）保護（hù）不必快速響應，可采用集（jí）中式保護，即檢測輸入端或直流環節的（de）總電流，當此電流超過設定值後比較器（qì）翻（fān）轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈衝，使輸出電流降為零。這種過載電流保護，一旦動作後，要通過複位才能恢複正（zhèng）常工作（zuò）。
IGBT能承受很短時間的短路電流，能承受短路電（diàn）流的時間與（yǔ）該IGBT的導通飽和壓降有關，隨著飽和導（dǎo）通壓降的增加而延（yán）長。如（rú）飽和壓降小於2V的IGBT允許承受的短路時間小於5μs，而飽（bǎo）和壓（yā）降3V的IGBT允許承（chéng）受的短路時間可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關（guān）係是由於隨著飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低（dī），短路電流同時增大（dà），短路時的功耗（hào）隨著電流（liú）的平方加大，造成承（chéng）受短（duǎn）路的時間迅速（sù）減小。
通常采取的保護措施有軟關斷和降柵壓2種（zhǒng）。軟關斷指（zhǐ）在過流和短路時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差，一旦檢（jiǎn）測到過流信號就關斷，很容（róng）易發生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可（kě）在故障信（xìn）號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流（liú）會在這個延時內急劇上（shàng）升，大大增加了功率（lǜ）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（qǐ）動了，器件仍然（rán）壞了。
降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓（yā），但器件仍維持導（dǎo）通（tōng）。降柵壓後設有固定延（yán）時（shí），故障（zhàng）電流在這（zhè）一延時期內被限（xiàn）製在一較（jiào）小值，則降（jiàng）低了故障時（shí）器件的功耗，延（yán）長了器件抗短路的時間，而（ér）且能夠降低器件關斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若延時後故障（zhàng）信號（hào）依（yī）然存在，則關斷器件，若（ruò）故障信號消失，驅動電路（lù）可自動恢複正常的（de）工（gōng）作狀態，因而大大增強了抗騷（sāo）擾能力。
上述降柵壓的方法隻考慮了（le）柵壓與短路電流大小的關係，而在實際過程（chéng）中，降（jiàng）柵壓的速（sù）度也是（shì）一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的di/dt。慢降柵壓技術就是通過限製降柵（shān）壓的速度來控製故障電流的下降速率，從而抑製器件的dv/dt和uce的峰值。圖5給出了實現慢降柵壓的具體電路。
圖5 實現慢（màn）降柵壓（yā）的電路
正常工作時，因（yīn）故障檢測二極管VD1的導通，將a點的電壓鉗位在（zài）穩壓二極管VZ1的擊（jī）穿電壓以下，晶體管VT1始終（zhōng）保持（chí）截止狀態。V1通過（guò）驅動電（diàn）阻Rg正常開通和關斷。電容C2為硬開關應用場合（hé）提供一很小的延時，使得V1開通時uce有一定的時間從高電壓降到通態壓降（jiàng），而（ér）不使保護電路動（dòng）作。
當電路發生過（guò）流和短路故障時，V1上的（de）uce上升，a點電壓隨之上（shàng）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（shǐ）上升，當電容（róng）電壓上升到約（yuē）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，通過調節C1的數值（zhí），可控（kòng）製電容（róng）的充電速度，進而控製uge的下降速度；當電容（róng）電壓上升到穩壓二極管VZ2的（de）擊穿電壓時，VZ2擊穿，uge被（bèi）鉗位在一固（gù）定的數值上，慢降柵壓過程結束，同時驅動電路通過光耦輸出過流信號（hào）。如果在延時過程中，故（gù）障信（xìn）號（hào）消失了，則a點電壓降低，VT1恢複截止，C1通過R2放（fàng）電，d點電壓升高，VT2也恢複截（jié）止，uge上升，電路恢（huī）複正常（cháng）工作狀態。
6 IGBT開關過程（chéng）中的過電壓
關斷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，如不采取軟關斷措施，它的臨界（jiè）電流下降（jiàng）率將達到數kA/μs。極高的電流下降率將會在主（zhǔ）電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導致IGBT關斷時將會使其電流電壓（yā）的運行軌跡超出它的安全工作區而損壞。所以從關斷的角度考慮（lǜ），希望主電路（lù）的（de）電（diàn）感和電流下（xià）降率（lǜ）越小越好。但對於IGBT的（de）開通來說，集電（diàn）極電路（lù）的電感有利於抑製續流二極管（guǎn）的反（fǎn）向恢複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（shòu）較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關電路的（de）集電極不需（xū）要串聯（lián）電感，其開通損耗可（kě）以（yǐ）通過改善柵極驅動條件來加以控製。
7 IGBT的關斷緩衝吸收電路（lù）
為了使IGBT關斷過電壓能（néng）得（dé）到（dào）有效的抑製並減小關斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設置關（guān）斷緩衝吸收電路。IGBT的關斷緩（huǎn）衝吸收電路分為充放電型（xíng）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（shì）。
(a)RC型 (b)RCD型
圖 6 充 放 電 型 IGBT緩 衝 吸 收 電 路
RC吸收電路因電容（róng）C的充電（diàn）電（diàn）流在電阻R上產生（shēng）壓降（jiàng），還會（huì）造成過衝電壓（yā）。RCD電路因用二（èr）極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過衝電壓。
圖7是三種（zhǒng）放電阻止型吸收電路。放電阻止型（xíng）緩衝電路（lù）中吸收電容Cs的放電電壓為（wéi）電源電壓，每次關斷前（qián），Cs僅將上（shàng）次關（guān）斷電壓的過衝部分能量回饋到電（diàn）源，減小了吸收電路的功耗。因電容電壓在IGBT關斷時從電源（yuán）電壓開（kāi）始上升，它的過電壓吸（xī）收能力（lì）不如（rú）RCD型充放（fàng）電型。
(a)LC型 (b)RLCD型 (c)RLCD型
圖7 三 種 放 電 阻 止 型 吸 收 電 路
從吸收（shōu）過電壓的能力來（lái）說，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。
對（duì）緩衝吸收電路的（de）要求是：
1）盡量減（jiǎn）小主電路的布線電感La；
2）吸收電容應（yīng）采用低感吸收電容，它的引線應盡量短，最好（hǎo）直接接（jiē）在IGBT的端（duān）子上；
3）吸（xī）收二極（jí）管應選（xuǎn）用快開通和（hé）快軟恢複二（èr）極管，以免產生開通過電壓和反向恢複引（yǐn）起較大的振蕩過電壓。
8 結語（yǔ）
本文對IGBT的驅動和保護技術進行了詳細（xì）的分析，得（dé）出了設計（jì）時應注意幾點（diǎn）事項：
——IGBT由於有集（jí）電極（jí）－柵極寄生電容的密勒效應影響，能引起意外的電壓尖峰（fēng）損害（hài），所以設（shè）計時應讓柵極電路的阻（zǔ）抗足夠低以（yǐ）盡量消除其負麵影響。
——柵極串聯電阻和驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程及驅動脈衝的（de）波形都有很大影響。所（suǒ）以設計時應綜合（hé）考慮。
——應采用慢降柵壓技術（shù）來控製故障（zhàng）電流的下降速率，從而抑（yì）製器件的dv/dt和uce的峰值，達到短路（lù）保護（hù）的目的。
——在工作電流較大（dà）的情況下，為（wéi）了減小關斷（duàn）過電壓，應盡量減小主電路的布線電（diàn）感，吸收電容器應采用（yòng）低感型。
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