IGBT模塊驅動及保護技術
2020-09-23 00:00:00 來源：河南17c蘑菇高中頻加熱設備 點擊：3174 喜歡：0
1 引言
IGBT是MOSFET與雙極晶體（tǐ）管的複合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，又具有功率（lǜ）晶體管電壓、電流容量大等優點。其頻率特性（xìng）介於MOSFET與功率晶體管之（zhī）間，可正常（cháng）工（gōng）作於幾十（shí）kHz頻率（lǜ）範圍內，故在較高頻率的大（dà）、中功（gōng）率應用中占據了主導地位。
IGBT是（shì）電壓控製型器件，在它的柵極-發（fā）射極間施加十幾V的直流電壓，隻有μA級的漏（lòu）電流流過，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發射極間存（cún）在著較（jiào）大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅動脈衝電壓的上升及下降沿（yán）需要（yào）提供數A的充放電電流（liú），才能滿足開通和關（guān）斷（duàn）的動態要求，這使得（dé）它的驅動電路也必須輸（shū）出一定的峰值電流。
IGBT作為一種大功率的複合器件，存在著過流時可能發（fā）生鎖定現象而造成損壞的問題（tí）。在過流時如采用一般的速度（dù）封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引（yǐn）起過電壓，為此需要采用軟關斷技術，因而掌握好IGBT的驅動和保護特性是十分必要（yào）的。
2 柵極特性
IGBT的（de）柵極通過一層氧（yǎng）化膜與發射極實現（xiàn）電隔離（lí）。由於此氧化膜很薄，其（qí）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（yī）。在應用中有時雖然保證了柵極驅（qū）動電壓沒有（yǒu）超過柵（shān）極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和（hé）柵極－集電極間的電容耦合，也會產生使氧化（huà）層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來（lái）傳送（sòng）驅動信號，以減小寄生電（diàn）感。在柵極連線中串聯小電阻（zǔ）也可（kě）以抑製振蕩電壓。
由於IGBT的柵極－發射極和柵極－集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（dòng）波形與（yǔ）理想驅動波形不完全相（xiàng）同，並產生了不利（lì）於IGBT開通和（hé）關斷的（de）因素。這可以用帶（dài）續流二極管的電感負載電路（lù）（見圖（tú）1）得到驗證。
(a)等 效 電 路 (b)開 通 波 形（xíng）
圖1 IGBT開關（guān）等效電路和開通波形（xíng）
在t0時刻，柵極驅動電（diàn）壓開始上升，此時影響柵極電壓uge上（shàng）升斜（xié）率的主要因素隻有Rg和Cge，柵（shān）極電壓上升較快。在t1時刻（kè）達到IGBT的柵（shān）極門檻值，集（jí）電極電（diàn）流（liú）開始上升。從此時開始有（yǒu）2個原因導致uge波形偏離原有的軌跡。
首先（xiān），發射極電路中的分布電感Le上的感應電壓隨著集電極（jí）電流ic的增加而加大，從而（ér）削弱了柵極驅動電壓，並且降低了柵極－發射極（jí）間的（de）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（diàn）極電容Cgc的（de）密勒效應。t2時（shí）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，在驅動電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅動電路內阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅動電壓。顯然，柵極驅動（dòng）電路的阻（zǔ）抗越低，這種效應越（yuè）弱，此效應（yīng）一直維持到t3時（shí）刻，uce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開通過程。在t3時刻後，ic達到穩態值，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。
由圖1波形可（kě）看出，由於Le和Cgc的存在，在IGBT的實際運行中（zhōng）uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅動電壓上升的效（xiào）應，表現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（jí）柵極驅動電（diàn）路的內阻盡量小，以獲得較快的開通速度。
IGBT關斷時的（de）波形如圖2所示。t0時刻柵極驅動電（diàn）壓開（kāi）始下降，在（zài）t1時（shí）刻達到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進（jìn）入線性（xìng）工作區，uce開（kāi）始上升，此時，柵極－集電極間電容Cgc的密勒效應支配著uce的（de）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－發射極間固有（yǒu）阻抗所決定的速度下（xià）降，在t3時，uge及ic均降為零，關斷結束。
由圖2可看出（chū），由於電容Cgc的存在，使得IGBT的關斷過程也延長了（le）許多。為了減小此影響，一（yī）方麵應選（xuǎn）擇Cgc較小的IGBT器件；另一方（fāng）麵應減小驅動電路的內阻（zǔ）抗，使流入Cgc的充電電流增加，加快了uce的上升速度。
圖 2 IGBT關 斷 時 的 波 形
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（xiǎo）。由於飽和導通電壓（yā）是IGBT發熱的主要原因之一，因此必須（xū）盡量減小。通常uge為15～18V，若（ruò）過高，容易造成（chéng）柵極擊穿。一般取15V。IGBT關斷時給其柵極－發射極加一（yī）定的（de）負偏壓有利於提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。
3 柵極串聯電阻對（duì）柵極驅（qū）動波形的影響
柵（shān）極（jí）驅（qū）動電壓的上升、下降速率對IGBT開通關斷過程有（yǒu）著較大（dà）的影響（xiǎng）。IGBT的（de）MOS溝道受柵極電（diàn）壓的直接控（kòng）製，而MOSFET部分的漏極電流控製（zhì）著（zhe）雙（shuāng）極（jí）部分的（de）柵極電流，使得（dé）IGBT的開通特性主（zhǔ）要決定於它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極（jí）驅動波形（xíng）的影響較（jiào）大。IGBT的關斷特性（xìng）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，所以柵極驅動對IGBT的關斷也（yě）有影響。
在高頻應用時，驅動電壓的上升（shēng）、下降速率應（yīng）快（kuài）一些，以提高IGBT開關速率降低（dī）損耗。
在正常狀態下IGBT開通越快，損耗越（yuè）小。但在開通過程中如有續流二極（jí）管的（de）反向恢複電流（liú）和吸收電（diàn）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（cǐ）時應降低柵極驅動電壓的上（shàng）升速（sù）率，即增（zēng）加柵極串聯電阻的阻值，抑製該電流的峰值。其代價是較大的開通損（sǔn）耗。利用此技術（shù），開通過程（chéng）的電（diàn）流峰值（zhí）可以控製在任意值。
由以上（shàng）分析可知（zhī），柵極串聯電阻和驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關斷過程影響小一些，串聯（lián）電阻小有利於（yú）加快關斷速率，減小（xiǎo）關斷損耗，但過小會造（zào）成di/dt過大，產生較大的集電極電壓（yā）尖峰。因此對串聯（lián）電阻（zǔ）要根據具體設計要求進（jìn）行全（quán）麵綜合的（de）考慮。
柵極電阻對驅動脈衝（chōng）的波形也有影響。電阻值過小時會造成脈（mò）衝振蕩，過（guò）大時脈衝波形的前（qián）後沿會發生（shēng）延遲和變緩。IGBT的柵極輸入電容Cge隨著其（qí）額定電（diàn）流容量的增加而（ér）增大。為（wéi）了保持相同的驅動脈（mò）衝前後沿速率，對於電流容量大的IGBT器件，應提供較大的前後沿充電（diàn）電流。為此，柵極（jí）串聯電阻的電阻值應隨著IGBT電流容（róng）量的增加而減小（xiǎo）。
4 IGBT的驅動電路
IGBT的驅動電路必須具備（bèi）2個功能：一是實現控製電路與被驅動IGBT柵極的電隔離；二是提供（gòng）合適的（de）柵（shān）極（jí）驅動脈衝。實現（xiàn）電隔離可采用脈衝變壓器、微分變壓器及光電耦合器。
圖3為采用光耦合器等分立元器件構成的IGBT驅動電（diàn）路（lù）。當輸入控製信號時，光耦VLC導通（tōng），晶體管V2截止，V3導通輸（shū）出＋15V驅動（dòng）電壓。當輸入控製信號為零時，VLC截（jié）止，V2、V4導通，輸出－10V電壓（yā）。＋15V和－10V電源需靠近驅動電（diàn）路，驅動電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發射極的引線應采用雙絞線，長度最好不超（chāo）過0.5m。
圖 3 由 分 立 元 器 件（jiàn） 構 成 的 IGBT驅 動 電 路
圖4為（wéi）由（yóu）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（tuī）挽放大晶體管後，可驅（qū）動電流容量（liàng）更大的（de）IGBT。TLP250構成的驅（qū）動器體積小，價格便宜，是不帶過流保護的IGBT驅動器中較理想（xiǎng）的選擇。
圖（tú）4 由 集 成 電 路TLP250構 成 的 驅 動 器
5 IGBT的過（guò）流（liú）保護
IGBT的過流（liú）保護電路可分為2類：一類（lèi）是低倍數的（1.2～1.5倍）的過載保護；一類是高倍數（可達8～10倍）的短路保護。
對於過載保護不必快速響應，可采用集中（zhōng）式保（bǎo）護（hù），即檢測輸入端（duān）或（huò）直流（liú）環節的總電流，當此（cǐ）電流超過設定值後比較（jiào）器（qì）翻轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈衝，使輸出電流降為零（líng）。這種過載電流（liú）保護，一旦動（dòng）作後，要通過複位才能恢複正常工作。
IGBT能（néng）承受（shòu）很短時間的短路電流，能承受短路電流的時間與該（gāi）IGBT的導通飽和壓降（jiàng）有關，隨著飽和導（dǎo）通壓降的增加（jiā）而（ér）延長。如飽和（hé）壓降小於2V的IGBT允許承受的短路時間小於5μs，而飽和壓降（jiàng）3V的IGBT允許承受的短路時間（jiān）可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關係是由於隨著飽和導（dǎo）通壓降的降低，IGBT的阻抗也降（jiàng）低，短（duǎn）路電（diàn）流同時增大（dà），短路時的功耗隨（suí）著（zhe）電流的平方加大，造（zào）成承受短路的時間迅速減小。
通常采取的保護措施有軟關斷和降柵壓2種。軟（ruǎn）關斷指在過流和短（duǎn）路時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗（kàng）騷擾能（néng）力（lì）差，一旦檢測到過流信號就關斷，很容易發生誤動作。為增加保護電路的抗騷（sāo）擾能力，可在故障信號與（yǔ）啟動（dòng）保護電路之間加一（yī）延時，不（bú）過故障電流會在這個延時內急劇上升，大大增加了功率損耗（hào），同時還會導致（zhì）器（qì）件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了，器（qì）件仍然壞了。
降柵壓（yā）旨在檢測到（dào）器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。降柵壓後設有固定延時，故障電流在這一延時期內被限製在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路（lù）的時間，而（ér）且能（néng）夠降（jiàng）低器（qì）件關（guān）斷時（shí）的di/dt，對器件保護十分有利。若延（yán）時後故障信（xìn）號依（yī）然存在，則關斷器件，若故障信號消失，驅動電路可自動恢複正（zhèng）常的工作狀態，因（yīn）而大大增強了抗騷擾能力。
上述降柵壓的方法隻（zhī）考慮了柵壓與短路電流大小（xiǎo）的關係，而在實際過（guò）程中，降柵壓的速度也（yě）是一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的di/dt。慢降柵壓技術就是通過限（xiàn）製降柵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（de）峰（fēng）值。圖5給出了實現慢降柵壓的具體電路。
圖5 實現慢降柵壓（yā）的電路
正（zhèng）常工作時，因故（gù）障（zhàng）檢測（cè）二極管VD1的導通，將a點的電（diàn）壓鉗位在穩壓（yā）二極管VZ1的擊（jī）穿電壓以下，晶體管VT1始終保持截止狀態。V1通過（guò）驅（qū）動電（diàn）阻Rg正常開通和關斷。電容C2為硬開關應用場合提（tí）供一很小的延（yán）時，使得V1開通時uce有一定的時間從高電壓降（jiàng）到通態（tài）壓降，而不使保護電路動作。
當電路發生過流和短路故障時，V1上的uce上升，a點電壓（yā）隨之上（shàng）升，到（dào）一定值時，VZ1擊穿，VT1開通，b點電壓下降，電（diàn）容C1通過電阻R1充電，電容（róng）電壓從零開始上（shàng）升，當電（diàn）容電（diàn）壓上升到約1.4V時，晶（jīng）體管VT2開通，柵極電壓uge隨（suí）電容電（diàn）壓的上升而下降，通過調節C1的數值，可（kě）控製電容的充電速度，進而控製uge的下降速度；當電容電壓上升到（dào）穩壓二極管VZ2的擊穿電壓時，VZ2擊穿，uge被鉗位（wèi）在一固定的數值上，慢降柵壓過程結束，同時驅（qū）動電路通過光耦輸（shū）出過流信號（hào）。如果在延時過程中，故障信號消失了，則a點電壓降低，VT1恢複截止，C1通過R2放電，d點電（diàn）壓升高，VT2也恢複截止，uge上升，電路恢複正常工（gōng）作狀態。
6 IGBT開關過程中的過電壓
關斷IGBT時，它的集電極電流的下降（jiàng）率較高（gāo），尤其（qí）是在短路故障的情況下，如不采取軟（ruǎn）關斷措施（shī），它的（de）臨界電流下降率將達到數kA/μs。極高的電流下降率（lǜ）將（jiāng）會在主電路的（de）分布電（diàn）感上感（gǎn）應出較高的過電壓，導致IGBT關斷時將會使其電流（liú）電壓的運行軌跡超出它的安全工作區而損壞。所以從關（guān）斷的角度考慮，希望主電路的（de）電感和電流下降（jiàng）率越小越好。但對於IGBT的開通來說，集電極電路的電感（gǎn）有利於抑製續流二極管（guǎn）的反（fǎn）向恢複電（diàn）流和電容器（qì）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開關電路的（de）集電極（jí）不需要串聯電感（gǎn），其開通損（sǔn）耗可以通（tōng）過改善柵極驅動條件來加以控製（zhì）。
7 IGBT的關斷緩衝（chōng）吸收（shōu）電路
為了使IGBT關斷過電壓能得到有（yǒu）效的抑製並減小關斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設置關斷緩衝吸收電路。IGBT的關斷緩（huǎn）衝吸收電路分為充放（fàng）電型和放電阻止（zhǐ）型。
充放電型有RC吸收和RCD吸收（shōu）2種。如圖6所示。
(a)RC型 (b)RCD型
圖 6 充 放 電 型 IGBT緩 衝 吸 收（shōu） 電 路
RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上（shàng）產生壓降，還會造成過衝電壓。RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了（le）過衝電壓。
圖7是三種放電阻止型吸收電路（lù）。放電阻止型（xíng）緩衝電路中吸收電容Cs的放電電壓（yā）為電（diàn）源電壓，每次（cì）關斷前，Cs僅將上次關斷電壓的過（guò）衝（chōng）部（bù）分能量回饋到電源，減小了吸（xī）收（shōu）電路的功耗。因電容（róng）電壓在IGBT關斷時從電源電壓開始上（shàng）升，它的過電壓吸（xī）收（shōu）能力不如RCD型充放電型。
(a)LC型 (b)RLCD型 (c)RLCD型
圖7 三 種 放 電 阻（zǔ） 止 型 吸（xī） 收 電 路
從吸收過電壓的能力來說，放電阻止型吸收效果稍（shāo）差，但能（néng）量損耗（hào）較（jiào）小。
對緩衝吸收電（diàn）路的要求是：
1）盡量減（jiǎn）小主電路的（de）布線電感La；
2）吸收電容應采用（yòng）低感吸收電容，它的引線（xiàn）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複二極（jí）管，以免產生開通過電壓（yā）和反向恢複引起（qǐ）較大的（de）振蕩過電壓。
8 結語
本文對IGBT的驅動和保護技術進行了詳細的分析，得出了設計（jì）時應注意幾點（diǎn）事項：
——IGBT由於有集電極－柵極寄生電容的密勒效應影響，能引起意外的電（diàn）壓（yā）尖峰損害，所以設計時應（yīng）讓柵極電路的阻抗足夠低以（yǐ）盡（jìn）量消除其負麵影響。
——柵極串聯電阻和驅動電路（lù）內阻抗對IGBT的開通過程及驅動脈衝的波形都（dōu）有很大影響。所以設計時應綜合考慮。
——應采（cǎi）用慢降（jiàng）柵壓技術來控製故障（zhàng）電（diàn）流的下降速率，從（cóng）而抑製（zhì）器件的dv/dt和uce的峰值，達到短路保護的（de）目的。
——在工作電流較大的情況下，為（wéi）了（le）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。
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