IGBT模塊驅動（dòng）及保護技術
2020-09-23 00:00:00 來源：河南17c蘑菇（cí）高中頻加熱設備 點擊：3173 喜歡：0
1 引言
IGBT是MOSFET與雙極晶體管的複（fù）合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，又具有功（gōng）率晶體（tǐ）管（guǎn）電壓、電流容量大等優點。其頻率特性介於MOSFET與功（gōng）率晶體管之（zhī）間，可正常工作於幾十kHz頻率範圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。
IGBT是電壓控製型器件，在（zài）它的柵極-發射極間施（shī）加十幾V的直流電壓，隻有μA級的漏電（diàn）流流過，基本（běn）上不消耗（hào）功率。但IGBT的柵極-發射極間存在著較大的寄生（shēng）電容（幾千至上萬（wàn）pF），在（zài）驅（qū）動脈衝電壓的上升及（jí）下降沿需（xū）要提供（gòng）數A的充放電電（diàn）流，才能滿（mǎn）足開通（tōng）和（hé）關斷的動態要求，這使得它的驅動電路也必須輸出一定的峰值電流。
IGBT作為一種大功率的複合器件，存在著過流（liú）時（shí）可能發生（shēng）鎖定現象而造成損壞的問題（tí）。在過流時如采（cǎi）用一般（bān）的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為（wéi）此需要采用（yòng）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（xìng）
IGBT的柵極通過一層氧化膜（mó）與發射極實現電隔離。由於此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般（bān）隻（zhī）能達到20～30V，因此柵（shān）極擊穿是IGBT失（shī）效（xiào）的常見原因之（zhī）一（yī）。在應用中有時雖（suī）然（rán）保（bǎo）證了柵（shān）極驅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（hé）柵極－集電極間的電容（róng）耦合，也會產生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采（cǎi）用絞線來傳送驅動信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯小電阻也可以抑製振蕩電壓。
由（yóu）於IGBT的柵極－發射極和柵極－集電極間存在著分布電容Cge和Cgc，以及發射（shè）極驅動電路中存在（zài）有分布電感（gǎn）Le，這些分布參數（shù）的影響，使（shǐ）得IGBT的實際驅動波形與理想驅動波形不完全相同，並產生了不利於IGBT開通和（hé）關斷（duàn）的因（yīn）素。這可以用帶續流二極管的電感負（fù）載電路（見圖1）得到驗證。
(a)等 效 電 路（lù） (b)開 通 波 形
圖1 IGBT開關等效電路和開通波形
在t0時刻，柵極驅動電壓開始上（shàng）升，此時影響柵極電（diàn）壓uge上升斜率的主（zhǔ）要（yào）因素隻有Rg和Cge，柵極電壓上升較快。在t1時刻達到（dào）IGBT的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時開始有2個原因導致uge波形偏離原有的軌跡。
首先，發射極電路中（zhōng）的（de）分布電感Le上的感（gǎn）應電壓隨著集電極電流ic的增加而加大，從而削弱了柵極驅動電壓（yā），並且（qiě）降（jiàng）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路電壓的因素是柵極－集電（diàn）極電（diàn）容Cgc的密勒效應（yīng）。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（kāi）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（zēng）加，也削弱了柵極驅（qū）動電壓（yā）。顯然，柵極驅動電路的阻抗越低，這種效應越（yuè）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時刻後，ic達到穩態值，影響柵（shān）極（jí）電（diàn）壓uge的因素（sù）消失後，uge以（yǐ）較快的上升率達到最大值。
由圖1波形可看出，由於Le和Cgc的存在，在IGBT的實際運行中uge的上升速（sù）率減緩（huǎn）了許多，這種（zhǒng）阻（zǔ）礙驅動電壓上升的效應，表（biǎo）現（xiàn）為對（duì）集電（diàn）極（jí）電流上升及開通過程的阻礙。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阻盡量小，以獲得較快的開通速度（dù）。
IGBT關斷時的波形如圖2所示。t0時刻柵極驅動電壓開始下降，在t1時（shí）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，uce開始上升，此時，柵極－集（jí）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（qī）間（jiān）基本（běn）不變，在t2時刻uge和ic開始以（yǐ）柵極－發射（shè）極間固有阻抗所決定的速度下降，在t3時，uge及ic均降為（wéi）零，關斷結束。
由圖（tú）2可看出，由於電容Cgc的存在，使得（dé）IGBT的關斷過程也延長了許多。為了減小此（cǐ）影響，一方（fāng）麵應選擇Cgc較（jiào）小的（de）IGBT器件；另一方麵應減小驅動電路的內阻抗，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（jì）應（yīng）用中（zhōng），IGBT的uge幅值也影響著飽和導通壓降（jiàng）：uge增加，飽和導通電（diàn）壓將減小（xiǎo）。由於飽和導通（tōng）電壓（yā）是IGBT發熱的主要原因之一，因（yīn）此必須（xū）盡量減小（xiǎo）。通常uge為15～18V，若過高（gāo），容易造成柵極（jí）擊穿。一般取15V。IGBT關（guān）斷時給其柵極－發射極加一定的負偏壓有利於提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。
3 柵（shān）極（jí）串聯電阻對柵極驅動波形的影響
柵極驅動電壓的上升、下降速率對IGBT開通關斷過程有著較大的影響。IGBT的MOS溝（gōu）道受柵（shān）極電壓的直接控製，而MOSFET部分的漏極電流（liú）控製著雙極部分的柵（shān）極電流，使得IGBT的開通特性主要決定於它（tā）的MOSFET部分（fèn），所以IGBT的開通受柵極驅（qū）動波形的影響較大。IGBT的關斷特性主要取決於內部少子的複合（hé）速率，少子的複合受MOSFET的關斷影（yǐng）響，所以柵極驅動對（duì）IGBT的關斷也有影響。
在高頻應（yīng）用時，驅動電壓的上升、下降速率應快一些（xiē），以提高IGBT開關速率降低損（sǔn）耗。
在正常狀態下（xià）IGBT開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續流二（èr）極管的反向恢複電流和吸（xī）收電容的放電電流，則開（kāi）通越快（kuài），IGBT承受的峰值電流越大，越容易導致IGBT損害。此時應降低（dī）柵極驅動電壓的上升速率，即增（zēng）加柵極串聯電阻的阻值，抑製該電流的峰值。其代價（jià）是較大（dà）的開（kāi）通損耗。利用此（cǐ）技術，開通過程的（de）電流峰值可（kě）以控製在任意值。
由以上分析可知，柵極串聯電阻和驅（qū）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，串聯電阻小有（yǒu）利於加（jiā）快關（guān）斷速率，減小關斷損耗，但過（guò）小會造成di/dt過大（dà），產生較大的集電極電壓尖峰。因此對串聯電阻要根據具體設計（jì）要求進行全麵綜合的考慮。
柵極電阻對驅動脈衝的波形也（yě）有影響（xiǎng）。電阻值過小時會造成脈衝振蕩，過大時脈衝波形的前後沿會發生延遲和變緩。IGBT的柵極（jí）輸入電容Cge隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅動（dòng）脈衝前後沿（yán）速率，對於電流容（róng）量大的IGBT器件，應提供較大的前後沿（yán）充電電流。為此（cǐ），柵極串聯電阻的電阻值應隨著IGBT電流容量的增加而減小。
4 IGBT的驅動電路
IGBT的驅動電路必須具備2個功能（néng）：一是實現控製電路與被驅動IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈衝。實現電隔離（lí）可采用脈衝變壓器、微分變（biàn）壓器（qì）及光（guāng）電耦合器。
圖3為采用光耦合器等分立元器件構成的IGBT驅動電路。當輸入控製信（xìn）號（hào）時，光耦VLC導通，晶體（tǐ）管V2截止，V3導通輸出＋15V驅動電壓。當（dāng）輸入控製信號為零時，VLC截（jié）止，V2、V4導（dǎo）通，輸出－10V電壓。＋15V和－10V電源需靠近驅動電路，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（dù）最好不（bú）超過0.5m。
圖 3 由 分 立 元 器 件（jiàn） 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（de）隔離電壓可達2500V，上升和下降時間（jiān）均小於0.5μs，輸出（chū）電流達0.5A，可直接驅動50A/1200V以（yǐ）內的IGBT。外加推挽放大晶體管後，可驅動電（diàn）流容量更大的（de）IGBT。TLP250構成的驅動器體積小，價格（gé）便（biàn）宜，是不帶（dài）過流保護的IGBT驅動器中較理想的選擇。
圖4 由 集 成 電（diàn） 路TLP250構 成 的 驅 動 器
5 IGBT的過流保（bǎo）護（hù）
IGBT的過流（liú）保護電路可分為2類：一類是低（dī）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（kuài）速響應，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環節的總電流（liú），當此電流超過設定值後比較器翻轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈衝，使輸出電流（liú）降為零。這種過載電流保護，一旦動作（zuò）後，要通過複位才能恢複正常工作。
IGBT能（néng）承受很短時（shí）間的短路電流，能承受（shòu）短路電（diàn）流（liú）的時（shí）間與該IGBT的導通飽和壓降（jiàng）有關，隨著飽和導通壓（yā）降的增（zēng）加而（ér）延長。如飽和壓降小於2V的IGBT允許承受的短路時間小（xiǎo）於5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15μs，4～5V時（shí）可達30μs以（yǐ）上。存（cún）在以上關係是由於隨著飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流（liú）同時（shí）增大，短路（lù）時的功耗隨著電流的平方加大，造成（chéng）承（chéng）受短路（lù）的（de）時間迅速減小。
通常（cháng）采取的保護措施有軟（ruǎn）關斷和降柵壓2種。軟關斷指在過流和短路時，直接關斷（duàn）IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差（chà），一旦（dàn）檢測（cè）到過流信號就關斷，很（hěn）容易發生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在（zài）故障信號與啟（qǐ）動（dòng）保護電（diàn）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（hái）會導致器件的di/dt增大。所（suǒ）以往（wǎng）往（wǎng）是保護電路啟動了，器件仍然（rán）壞了。
降柵壓旨在檢（jiǎn）測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件（jiàn）仍維持導通。降柵壓後設（shè）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（yán）長了器件抗短（duǎn）路的時間，而且能夠降低器件關斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若延時後故障信號依然存在（zài），則關斷器件，若故障信號消失（shī），驅動電路可自（zì）動恢複正（zhèng）常的工作狀態，因而大大增強了抗騷擾（rǎo）能（néng）力。
上述降柵（shān）壓的（de）方法隻（zhī）考慮了柵壓與短路（lù）電流大小的關係，而（ér）在實際過程中，降柵壓的速（sù）度也是一個重要因素，它（tā）直接決定了故障電流（liú）下降的di/dt。慢降（jiàng）柵壓技術就是通過（guò）限製降（jiàng）柵壓的速（sù）度來控製故障（zhàng）電流的下降速率，從而抑製器件的dv/dt和uce的峰值。圖（tú）5給出（chū）了實（shí）現（xiàn）慢降柵壓的具體電路。
圖5 實現慢降柵壓的電路（lù）
正（zhèng）常工作（zuò）時，因故障檢測二極（jí）管VD1的導通，將a點的電壓鉗位在穩壓（yā）二極（jí）管VZ1的擊穿電壓以下，晶體管VT1始終保（bǎo）持截止狀態。V1通過驅動電阻Rg正常開通和關斷。電容（róng）C2為硬開（kāi）關（guān）應用場（chǎng）合提（tí）供（gòng）一很小的延時，使得V1開通時uce有一（yī）定的時間從高電壓（yā）降到通態（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（kāi）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，通過調節C1的數值，可控製電容的充電速度，進而控製uge的下降速度；當電容電壓上升到穩壓二極管VZ2的擊穿電壓時，VZ2擊穿，uge被鉗位在一（yī）固定的數（shù）值上，慢降（jiàng）柵壓過程結束，同時（shí）驅動電路通過光耦輸出過流信（xìn）號。如果在延時過程中，故障信號消（xiāo）失了，則a點電壓降低，VT1恢複截（jié）止，C1通過R2放電，d點電壓升高，VT2也恢複截止，uge上升，電路恢複正常工（gōng）作（zuò）狀態。
6 IGBT開關過程（chéng）中（zhōng）的過電壓
關斷IGBT時，它的（de）集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情（qíng）況下，如不采取軟關（guān）斷措施，它的臨界電流下降率將達到（dào）數kA/μs。極高的電流下降（jiàng）率將會在主電路的分布電感上感應出較高的（de）過電（diàn）壓，導致IGBT關斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區而損壞。所以從（cóng）關斷的角度（dù）考慮，希望主電路的電感（gǎn）和電流下降率越小越（yuè）好。但對於IGBT的開通來說，集電極電路的（de）電感（gǎn）有（yǒu）利於抑製續流二極管（guǎn）的反向恢複電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小（xiǎo）開通損耗（hào），承受較高的開通電流上升率。一般情況（kuàng）下IGBT開關（guān）電（diàn）路的（de）集電（diàn）極不需要串（chuàn）聯電感，其開通（tōng）損耗可以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
為了使IGBT關斷過電壓能得到有效的（de）抑製並減（jiǎn）小關斷損耗，通常都需要（yào）給IGBT主電（diàn）路設置關（guān）斷緩衝吸收電路。IGBT的關（guān）斷緩衝吸收電路分為充放電型和放電阻止型。
充（chōng）放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。
(a)RC型 (b)RCD型（xíng）
圖 6 充 放 電 型 IGBT緩 衝 吸 收 電 路
RC吸收（shōu）電（diàn）路因電（diàn）容C的充電電（diàn）流在電阻R上產生壓（yā）降，還會造成過衝電壓。RCD電（diàn）路因用二極管旁（páng）路了電阻（zǔ）上（shàng）的充電電流，從而克服了過衝電壓。
圖7是三種放電阻止型吸收電路。放電阻止型緩衝電路（lù）中吸收電容Cs的放（fàng）電電壓為電源電壓，每（měi）次關斷前，Cs僅將上次（cì）關斷電壓的過衝部分能量回饋到電源，減小了吸收電路的功耗。因（yīn）電容（róng）電（diàn）壓在IGBT關斷時（shí）從電源電（diàn）壓開始（shǐ）上升，它的（de）過電壓吸收能力（lì）不如RCD型充放電型。
(a)LC型（xíng） (b)RLCD型 (c)RLCD型（xíng）
圖7 三 種 放 電 阻 止 型 吸 收 電 路
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（jiào）小。
對緩衝吸收電路的要求是：
1）盡（jìn）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（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（yòng）快開通和快軟恢複二極管，以免產生開（kāi）通過電壓和反向恢複引起較大的振（zhèn）蕩過電壓。
8 結語
本文對IGBT的驅動和保護技（jì）術進行了詳細的分析，得出了設計時應注意幾點事項：
——IGBT由於有集電極－柵極寄（jì）生電容的密勒效應影響，能引起意（yì）外的（de）電壓尖峰損害，所以設計時應讓柵極電路的阻（zǔ）抗足夠低以盡（jìn）量消（xiāo）除（chú）其負麵影響。
——柵極串（chuàn）聯電阻和驅動電（diàn）路內阻抗（kàng）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（lǜ）。
——應（yīng）采用慢降柵（shān）壓技術來控製故障電流的下降速率（lǜ），從而抑製器件的dv/dt和uce的峰（fēng）值，達到短路保護的目的。
——在工作電流較大的（de）情況下，為了減小關斷過電壓，應盡量（liàng）減小主電路的布線電感，吸收電容（róng）器應采用低感型。
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