IGBT模塊驅動（dòng）及保護技術

2020-09-23 00:00:00    來源：河南欧美日韩精品一区二区三区高清视频（cí）高中頻加熱（rè）設備    點擊：2647    喜歡（huān）：0

1  引（yǐn）言

    IGBT是MOSFET與雙極晶體管（guǎn）的複合器件。它既有（yǒu）MOSFET易驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大（dà）等（děng）優點。其頻率特性介於MOSFET與功率晶體管之間，可正常工（gōng）作於（yú）幾十kHz頻（pín）率範圍內（nèi），故在（zài）較高頻（pín）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（jiàn），在它的柵極（jí）-發射極間施加十幾V的直流電壓，隻有μA級（jí）的漏電流流過，基本（běn）上不消耗功率。但IGBT的柵極-發射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬（wàn）pF），在驅（qū）動脈衝電壓的（de）上升及（jí）下（xià）降沿需要提供數A的充放電電流，才能滿足開通和關斷的動態要求，這使得它的驅動（dòng）電路也必須（xū）輸（shū）出（chū）一定的峰值電（diàn）流。

    IGBT作為（wéi）一種大功率的（de）複合器（qì）件，存在著過流時（shí）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，過高的電（diàn）流變化率會引起過電（diàn）壓，為此需要采用軟關斷技術，因而掌握好（hǎo）IGBT的驅動和保護特性是十分必要的。

2  柵極特性

    IGBT的柵極通過一層氧化（huà）膜與發射極實現電隔離（lí）。由於此氧化膜很薄，其擊（jī）穿電壓一般隻能達到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見（jiàn）原因之一。在應（yīng）用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線（xiàn）的寄生電（diàn）感和柵（shān）極（jí）－集（jí）電極間的電容耦合，也會產生使氧化層損壞的（de）振蕩電壓。為此。通（tōng）常（cháng）采用絞線來傳送驅動（dòng）信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯小電阻（zǔ）也可以抑製振蕩電壓。

    由於IGBT的柵極－發射極和柵極－集電極間存在（zài）著分布電容Cge和Cgc，以及發射極驅動電路中存在有分布電感Le，這些分布參（cān）數的影響，使得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）關斷的因素。這可以用帶續（xù）流二極管的（de）電感負載電路（lù）（見圖1）得到驗證。

 

(a)等 效 電 路                                                     (b)開 通 波 形

圖1  IGBT開關等效電路（lù）和開通波形（xíng）

    在t0時刻，柵極驅動電壓開始上升，此時影響柵（shān）極電壓uge上升斜率的主要因素（sù）隻（zhī）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（shēng）。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Le上的感應電壓（yā）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，並且降低了柵極－發射極間的uge的上升率，減（jiǎn）緩了（le）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－集電極電容Cgc的密勒效應。t2時刻，集電極電流達到最大（dà）值，進（jìn）而柵極－集電極間電容（róng）Cgc開始放電，在（zài）驅（qū）動電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅動電路內阻抗上（shàng）的壓降增加，也削弱了柵極驅動電壓。顯然，柵極（jí）驅動電路的（de）阻抗越（yuè）低，這種效應越弱，此效應一直維持到t3時刻，uce降（jiàng）到零為止。它的（de）影響同樣減緩了IGBT的開（kāi）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（shēng）率達（dá）到最（zuì）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的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅動電壓上升的效應，表現為對（duì）集電（diàn）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及柵極驅動電路（lù）的內阻（zǔ）盡量小，以（yǐ）獲得較快的開（kāi）通速度。

    IGBT關斷時的波形（xíng）如圖2所示。t0時（shí）刻柵（shān）極驅動電壓開始下降，在t1時刻達到剛能維持集電（diàn）極正常工作電流的水平，IGBT進入線性工作（zuò）區，uce開始上升，此時，柵極－集電極間電容Cgc的密勒效應支配（pèi）著uce的上升，因Cgc耦合充電作用（yòng），uge在t1－t2期間基本不變，在t2時刻uge和ic開始以（yǐ）柵極－發（fā）射極（jí）間固有阻抗所決定的速度下降，在t3時，uge及ic均降為零，關斷結束（shù）。

    由圖2可看出，由於電容Cgc的存在，使得IGBT的關斷過程也延長了許（xǔ）多。為了減小此影響，一方麵應（yīng）選擇Cgc較小的IGBT器件；另一（yī）方麵應減小驅動電（diàn）路的內阻抗，使流入（rù）Cgc的充電電流增加，加快（kuài）了uce的上升速（sù）度。

 

圖 2  IGBT關 斷 時 的（de） 波 形（xíng）

    在實際應用中（zhōng），IGBT的uge幅值也影響（xiǎng）著飽（bǎo）和導（dǎo）通壓（yā）降：uge增加，飽和導通電壓將減小。由於飽和（hé）導通電壓是IGBT發熱的主要原因之一，因此必須盡（jìn）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關斷（duàn）時（shí）給（gěi）其柵（shān）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  柵極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（lǜ）對IGBT開通關斷過程有著較大的（de）影響。IGBT的MOS溝道受（shòu）柵極電壓的直接控製，而MOSFET部分的漏極電流控製著雙極部分的（de）柵極電流，使得IGBT的（de）開通特性主要決定於它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極驅動波形的影響較大。IGBT的關斷特性主要取決於內部少子的複合速率（lǜ），少子的複合受MOSFET的關斷影響，所以柵極驅動對IGBT的關斷也有影響。

    在高頻應用時，驅動電壓（yā）的上升、下（xià）降速率應快一些，以（yǐ）提高IGBT開關速率降低損耗。

    在正常（cháng）狀態下IGBT開通越快，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收電容的放電電流，則開通越快，IGBT承受的（de）峰值電（diàn）流越大，越容易導致IGBT損害。此時（shí）應降低柵極驅（qū）動電壓的上升速率，即增加（jiā）柵極串聯電阻的阻值，抑製該（gāi）電流的峰值。其代價是較大的開通損耗。利用此技術，開通過程的電流峰值可以控製在任（rèn）意值。

    由以上分析可知，柵極串聯電阻和驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程（chéng）影響較大，而對關斷過（guò）程（chéng）影響小（xiǎo）一些，串聯電阻（zǔ）小有利於加快（kuài）關斷速率，減小關斷損耗，但過小會造成di/dt過大，產生較大（dà）的集電極電壓尖（jiān）峰。因此對（duì）串聯電阻要根據具體設計要求進行（háng）全麵綜合（hé）的考慮。

    柵極電阻對驅動脈衝的（de）波（bō）形也有影響。電阻值過小時會造成脈（mò）衝振蕩，過大時脈衝波形的前後沿會發（fā）生延遲和變（biàn）緩。IGBT的柵極輸（shū）入電容Cge隨著其額定電流容量的增加而增大。為（wéi）了保持相同的驅動脈衝前後沿（yán）速率，對（duì）於電流容量大的IGBT器件（jiàn），應提供較大的前後沿充電電流。為此，柵極（jí）串聯電阻的電阻值（zhí）應（yīng）隨著IGBT電流容（róng）量的增加而減小。

4  IGBT的驅動電路

    IGBT的（de）驅動電路必須具備2個功能：一是實現控製電路與被驅動IGBT柵極的電隔離（lí）；二是提供合適的柵極驅（qū）動（dòng）脈衝。實現電隔離可采用脈衝變（biàn）壓（yā）器、微分變壓器及（jí）光電耦合（hé）器（qì）。

    圖（tú）3為采（cǎi）用光耦合器等分立元器件構成（chéng）的IGBT驅動電路（lù）。當輸入控製信號時，光耦VLC導通，晶體管V2截止，V3導通輸（shū）出＋15V驅動電壓。當輸入控製信號為（wéi）零時，VLC截（jié）止，V2、V4導通，輸出－10V電壓。＋15V和－10V電源需靠（kào）近驅動電路，驅動（dòng）電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發射極的引線應采用（yòng）雙絞（jiǎo）線，長度最好不超過0.5m。

 

圖 3  由 分 立 元 器 件 構（gòu） 成 的 IGBT驅（qū） 動 電 路

    圖4為由集成（chéng）電（diàn）路TLP250構成（chéng）的驅動器。TLP250內置（zhì）光耦的（de）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，是不帶過流保護的IGBT驅動器中較（jiào）理想的選擇（zé）。

 

圖（tú）4  由 集 成 電 路TLP250構 成（chéng） 的 驅 動 器

5  IGBT的過流保（bǎo）護

    IGBT的過流保（bǎo）護（hù）電路可（kě）分為2類（lèi）：一類是低倍數的（1.2～1.5倍）的過（guò）載保護；一類是高倍數（shù）（可達8～10倍）的短路（lù）保護。

    對於過載保護不必（bì）快速響應，可采用集中式保護，即檢測輸入端（duān）或直流環節的總電流，當此電（diàn）流超過設定值（zhí）後比較器翻轉，封鎖（suǒ）所有IGBT驅動器的（de）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（yǒu）關，隨著飽和導通（tōng）壓（yā）降的增加而延長。如飽和壓降小於2V的IGBT允許承（chéng）受的短路時間小於5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時（shí）間可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關係（xì）是由於隨著飽和（hé）導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增（zēng）大，短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短（duǎn）路的時間迅速減小。

    通常采取的保（bǎo）護措施有軟關斷和降柵壓2種。軟關斷指在（zài）過（guò）流和（hé）短路時，直接（jiē）關斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差，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（diàn）路的抗騷擾能力，可（kě）在故障信（xìn）號與啟動（dòng）保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內急劇上升，大大增（zēng）加了功率（lǜ）損耗，同時還會（huì）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（jiàng）柵壓旨在檢測到器件過（guò）流時（shí），馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。降柵（shān）壓後設有固定延時，故障電流在這一延時期內被限製在（zài）一較小值，則降低（dī）了故障時器件（jiàn）的功耗，延長了器（qì）件抗短路的時間，而且能夠降低器件關斷時（shí）的di/dt，對器件（jiàn）保護（hù）十分有利。若延時後故障（zhàng）信號依然存在，則關斷器件，若故障信號消失（shī），驅動電路可自動恢複（fù）正常的工作狀（zhuàng）態（tài），因而大大增強了（le）抗騷擾能力。

   上述降（jiàng）柵壓的方法隻考慮了柵壓與短路電流大小的關係（xì），而在（zài）實際過程中（zhōng），降柵壓的速度也是一個重（chóng）要因（yīn）素（sù），它直接決定了故障電流下降的（de）di/dt。慢降柵壓技（jì）術就是通過（guò）限製降柵壓的速（sù）度來控製故障電流的下（xià）降速率，從而抑（yì）製器件的dv/dt和uce的（de）峰值（zhí）。圖5給出了實現慢降柵（shān）壓的具（jù）體電（diàn）路。

圖5  實現慢降柵壓的電路  

  正常工（gōng）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二極管VZ1的擊穿（chuān）電壓以下（xià），晶體（tǐ）管VT1始終保持截止狀態。V1通過驅動電阻Rg正（zhèng）常開通和關斷。電容C2為硬開關應用場合提供一很小的延時，使得V1開通時uce有一定的（de）時間從（cóng）高電壓降到通態壓降，而不使保（bǎo）護電（diàn）路動作。

    當電路發生過流和短路故障時（shí），V1上的uce上升，a點電壓隨（suí）之上升，到一定值時，VZ1擊穿，VT1開通（tōng），b點電壓下（xià）降，電容C1通過電阻R1充電，電容電壓從零開始上升，當電容（róng）電壓（yā）上（shàng）升到約1.4V時，晶體管VT2開通，柵（shān）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（dù），進而（ér）控製uge的下（xià）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被鉗位在一固（gù）定（dìng）的數值上，慢降柵壓過程結束，同時驅（qū）動電路通過光耦輸出過流信號。如果在延時過程（chéng）中，故障信號消失了，則a點（diǎn）電壓降低，VT1恢複截（jié）止，C1通過R2放電，d點電壓升高，VT2也（yě）恢複截止，uge上升，電路恢複正常工作狀態。

6  IGBT開（kāi）關過程中（zhōng）的過電（diàn）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（cuò）施（shī），它的臨界電（diàn）流下降率將達到數kA/μs。極高的電流下降率將會在（zài）主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的運行軌跡超出它的安全工作區而損（sǔn）壞。所（suǒ）以從關斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小（xiǎo）越好。但對於IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利（lì）於（yú）抑製續流二極管的反向恢複電流（liú）和電容器充放電造（zào）成的峰值電流，能減小開（kāi）通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般（bān）情況下IGBT開關電路的集電極（jí）不需要串聯電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅動條（tiáo）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抑製並減小關斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設置關斷緩（huǎn）衝吸收電路。IGBT的關斷（duàn）緩衝吸收電路分為充放電型（xíng）和放（fàng）電阻（zǔ）止型。

    充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。

 

(a)RC型                                     (b)RCD型

圖（tú） 6    充 放 電 型 IGBT緩 衝 吸 收 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（diàn）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中吸收（shōu）電容Cs的放電電壓（yā）為電源電壓，每次關斷前，Cs僅將上次關斷電壓的過衝部分（fèn）能量回饋到（dào）電源，減小了吸收電路的功耗。因電容電壓在IGBT關斷時從（cóng）電源電壓開始上升（shēng），它的過電壓吸收（shōu）能力不如RCD型（xíng）充放電型。

 

(a)LC型（xíng）                                   (b)RLCD型                              (c)RLCD型

圖（tú）7  三 種 放 電 阻 止（zhǐ） 型 吸（xī） 收 電 路

    從吸收過電壓的能力來說，放電阻止型吸（xī）收效（xiào）果稍差，但（dàn）能量損耗較小。

    對緩衝吸收電路的（de）要求是：

    1）盡（jìn）量減小主電（diàn）路的布線電感La；

    2）吸收電（diàn）容應采用低（dī）感吸收電（diàn）容，它的引（yǐn）線應盡量（liàng）短，最好直接接在IGBT的端子上；

    3）吸收二極管（guǎn）應選用快開通和快軟恢複（fù）二極管，以免產生開通過電壓和反向恢複引起較大的振蕩過電壓。

8  結語

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

    ——IGBT由於有集（jí）電極－柵（shān）極寄生電容的密勒效（xiào）應影響，能引起意外的電壓尖峰損害，所以設計時應讓（ràng）柵極電路（lù）的阻抗足夠低（dī）以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（de）開通過（guò）程及驅動（dòng）脈（mò）衝的波形都有很大影響。所（suǒ）以設計時應綜合考慮。

    ——應采用慢降柵（shān）壓技術（shù）來控製（zhì）故障電流的下降（jiàng）速率，從而抑製器件（jiàn）的dv/dt和uce的峰值，達到短路保護的目的（de）。

    ——在工作電流較大（dà）的情況下，為了減小關斷過電壓（yā），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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