IGBT模塊驅動及保（bǎo）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高中（zhōng）頻加熱設備 點擊（jī）：2648 喜歡：0
1 引言
IGBT是MOSFET與雙極晶體管的複合器件。它既有MOSFET易驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量（liàng）大等優點。其頻率特性介於MOSFET與功率晶體管之間，可正常工（gōng）作於幾十kHz頻率（lǜ）範圍內，故（gù）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，在它的柵極-發（fā）射極間施加十幾V的直流電壓，隻（zhī）有（yǒu）μA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發射極（jí）間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅動（dòng）脈（mò）衝電壓的上升及下降沿需要提供數（shù）A的充放電電（diàn）流，才能滿足開通和關斷的動態要求，這使得它的驅動電路也必須輸出（chū）一定的峰值（zhí）電流。
IGBT作為（wéi）一種大功率的（de）複合器件，存在著過流時（shí）可能發生鎖定現象而（ér）造成（chéng）損壞的問題。在過流時如采用一般的速度封鎖柵極電（diàn）壓，過高的電（diàn）流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關斷技術（shù），因而掌握好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（yǎng）化膜（mó）與發射（shè）極實現電隔離。由（yóu）於此氧（yǎng）化膜（mó）很薄，其擊穿電壓一般隻能達到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在（zài）應用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額（é）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，也會產生使氧化（huà）層損壞（huài）的振蕩電壓。為此。通常采用絞線（xiàn）來傳送驅（qū）動信號，以（yǐ）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。
由於IGBT的柵極－發射極和柵極－集電極（jí）間（jiān）存在著分布電容Cge和（hé）Cgc，以及發射極驅（qū）動電路中存在有分布電感Le，這些分（fèn）布參數的影響，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開通和關斷的因素。這可以用（yòng）帶續流二（èr）極管的電感負載電路（見（jiàn）圖1）得到驗證。
(a)等 效 電 路 (b)開 通 波 形
圖1 IGBT開關等（děng）效電路和開通波形
在t0時刻，柵（shān）極驅動電壓開始上升，此（cǐ）時影響柵極電壓uge上升斜率的主要（yào）因素隻有Rg和Cge，柵極電（diàn）壓上升較快。在t1時刻達到IGBT的（de）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（fā）射極（jí）電（diàn）路（lù）中的分布電感Le上的感應電壓隨著集電極電流ic的增（zēng）加而加大，從而削弱（ruò）了柵極驅動電壓，並且降低了柵極－發（fā）射極間的uge的上升（shēng）率，減緩了集（jí）電極電流的增長。
其次，另一個影響柵極驅動電路（lù）電壓的因素（sù）是柵（shān）極－集電極電容Cgc的密勒效應。t2時刻，集（jí）電極電流達到（dào）最大值，進而柵極－集電極間電容Cgc開始放電，在驅（qū）動電（diàn）路中增加了Cgc的容（róng）性電流，使得在驅動電路內阻抗（kàng）上的壓降（jiàng）增加，也削弱（ruò）了柵（shān）極驅動電（diàn）壓。顯然，柵極驅（qū）動（dòng）電（diàn）路的阻抗越低（dī），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（shí）刻後，ic達到穩態值，影響柵（shān）極電壓uge的因素消失後，uge以較快的上（shàng）升率達到最大值。
由圖1波形可看出，由（yóu）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（zhè）種阻礙驅動電壓上升的效應，表現為對集電極（jí）電流上升及開通過程的（de）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）的內阻盡量小（xiǎo），以獲得較快的開通速度。
IGBT關斷時的波形如（rú）圖2所示。t0時刻柵極驅動電壓開始下（xià）降（jiàng），在t1時刻達到剛能維持集電極正常工（gōng）作電流的水平，IGBT進入線性工作（zuò）區，uce開始上升，此時（shí），柵極－集電極間電容（róng）Cgc的密（mì）勒效（xiào）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－發射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（shù）。
由圖2可看出，由於電容Cgc的存在，使得IGBT的關斷（duàn）過程也延長了許多。為了減小此影響，一方麵應選擇Cgc較小的IGBT器件；另一方麵應減小驅動電路的內阻抗（kàng），使流（liú）入Cgc的充電電流增加（jiā），加快了uce的上升速度。
圖 2 IGBT關 斷 時 的 波 形（xíng）
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。由於飽和導通電壓是IGBT發（fā）熱的主要原因之一，因此必須盡（jìn）量減小。通（tōng）常uge為15～18V，若過高（gāo），容易造成柵極擊（jī）穿。一般取15V。IGBT關斷時給（gěi）其柵極－發射極加一定的負偏壓有利於提（tí）高IGBT的抗騷擾（rǎo）能力，通常取5～10V。
3 柵極串聯（lián）電阻（zǔ）對柵（shān）極驅動波形（xíng）的影響
柵（shān）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溝道受柵極電壓的直接控（kòng）製，而MOSFET部分的漏極電流控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（nèi）部少子的（de）複合速率（lǜ），少子（zǐ）的複合受MOSFET的關斷影響，所以（yǐ）柵極驅（qū）動對IGBT的關斷也（yě）有影響。
在高頻應用（yòng）時（shí），驅動電壓的（de）上升、下降速率（lǜ）應快一些，以提高IGBT開（kāi）關速率降低損耗。
在正常狀態下IGBT開通越快，損耗越小。但在開通（tōng）過程中如有（yǒu）續流二極管的反向恢複電流和（hé）吸（xī）收電容的放電電流，則開（kāi）通越快，IGBT承受的峰（fēng）值電流越大，越容易導致IGBT損害。此時應降低柵極驅動電壓（yā）的上升速（sù）率，即增加（jiā）柵極串聯電阻（zǔ）的阻值，抑製該電流的峰值。其代價是較大的開（kāi）通損（sǔn）耗。利用此技術，開（kāi）通過程的電流峰（fēng）值（zhí）可以控製在任意值。
由以上分析可知，柵極串聯電阻和（hé）驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程影響較大（dà），而對關斷過程影響小一（yī）些，串聯電阻小有利於加快關斷速率，減小關斷損耗，但過小會（huì）造成di/dt過大（dà），產生較大的集（jí）電極電壓尖峰。因此對串聯（lián）電（diàn）阻要根據（jù）具體設計要求（qiú）進行全麵綜合的考慮。
柵極電阻對驅動脈衝的波形也有影響。電阻值過小（xiǎo）時會造成脈衝振蕩（dàng），過大時脈（mò）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隨著其額定電流容量的增（zēng）加而增大。為了保持相同的驅動脈衝前後沿速率，對於電流容量大的IGBT器件，應提供較大的（de）前後沿充電（diàn）電流。為此，柵（shān）極串聯（lián）電阻的（de）電阻值應（yīng）隨著IGBT電流容量的增加（jiā）而（ér）減小（xiǎo）。
4 IGBT的驅動（dòng）電路
IGBT的驅動電路必須具備2個功能：一是實現控製電路與被（bèi）驅動IGBT柵極的電隔（gé）離（lí）；二是提供合適的柵極驅動脈衝。實現電（diàn）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驅動電路。當輸入控製信號時，光耦（ǒu）VLC導（dǎo）通，晶體管（guǎn）V2截止，V3導通輸（shū）出＋15V驅動電（diàn）壓。當輸（shū）入控製信號為零時，VLC截（jié）止，V2、V4導通，輸出－10V電壓。＋15V和－10V電（diàn）源需靠近驅動電路，驅動電路輸（shū）出端及（jí）電源地端（duān）至IGBT柵極和發射極的引線應采用雙絞線，長度（dù）最好不超過0.5m。
圖 3 由 分 立 元 器 件 構 成 的 IGBT驅 動 電 路（lù）
圖4為由（yóu）集成電路TLP250構成的驅動器。TLP250內置光耦（ǒu）的隔離（lí）電壓可（kě）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（guǎn）後，可驅（qū）動電流容量更大的IGBT。TLP250構成的驅動器（qì）體積小，價格便宜，是不帶（dài）過流保護的IGBT驅動器中較理想的選擇。
圖（tú）4 由 集 成 電 路TLP250構 成 的 驅 動 器
5 IGBT的過流保護
IGBT的過流保護電路可分（fèn）為2類（lèi）：一類是低倍數的（1.2～1.5倍）的過載保（bǎo）護；一類是高倍數（可達8～10倍）的短（duǎn）路保護。
對於（yú）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節的（de）總電流，當此電（diàn）流超過設定值後比較器翻（fān）轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈衝，使輸出電流降為零（líng）。這種過載電流保護，一（yī）旦動作後，要通過複位才（cái）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（liú）的時間與（yǔ）該IGBT的導通飽（bǎo）和壓降（jiàng）有關，隨（suí）著（zhe）飽和導通壓降的增加而延長。如（rú）飽和壓降小於2V的IGBT允許承受（shòu）的短路時間小於5μs，而（ér）飽和壓降3V的IGBT允許承受的（de）短路時（shí）間可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關係是（shì）由於隨著飽和導通壓降的（de）降低，IGBT的阻抗也降低，短路（lù）電流同時增（zēng）大（dà），短路時的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短（duǎn）路的（de）時間迅速減小（xiǎo）。
通常采取的保護（hù）措（cuò）施有軟（ruǎn）關（guān）斷和降柵壓2種。軟關斷指在過流和短路（lù）時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差，一（yī）旦檢測到過流信號就關斷（duàn），很容（róng）易發生誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可（kě）在故障信號（hào）與啟動保護電路之間加一（yī）延時，不過故障電流會（huì）在這個延時內急劇上升，大大增加了功率（lǜ）損耗，同（tóng）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（rán）壞了。
降柵（shān）壓旨在檢測到器件（jiàn）過流時，馬上降低柵壓（yā），但器件（jiàn）仍維持導通。降（jiàng）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（qì）件抗短路的時間，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（xìn）號（hào）依然存在，則關斷器件，若故障信號消失，驅（qū）動電路可自（zì）動恢（huī）複正常的工（gōng）作狀態，因而大大增強了抗騷擾能力。
上述降柵壓的（de）方法隻考慮了柵壓與（yǔ）短路電流大小的（de）關係，而在實際過程中，降柵壓的速度也是（shì）一個重要因素，它直接決定了（le）故障電流下降的di/dt。慢降柵（shān）壓技術（shù）就是通過限製降柵壓的速（sù）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（tǐ）電路。
圖5 實現慢降柵（shān）壓的電路
正常工作時（shí），因（yīn）故障檢測二極管VD1的導通，將a點的電壓鉗位（wèi）在穩壓二極管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（zǔ）Rg正常開（kāi）通和關斷。電容C2為（wéi）硬開關應用場合提供一很小的延時，使得V1開通時uce有一定的時間從高電壓降到（dào）通態（tài）壓降，而不使保護電路動作。
當電路發生過（guò）流和短（duǎn）路故障時，V1上的uce上升，a點（diǎn）電壓（yā）隨之上（shàng）升，到一定（dìng）值時，VZ1擊穿（chuān），VT1開（kāi）通，b點電壓下降，電（diàn）容C1通過電阻R1充電（diàn），電容電（diàn）壓從零開始上升，當電（diàn）容電壓上升（shēng）到約1.4V時，晶體管VT2開（kāi）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（diàn）容的充電速度，進而控製uge的下降速度（dù）；當電容（róng）電壓上升到穩壓二極管VZ2的擊穿電壓時，VZ2擊穿，uge被鉗位在一固定的數值上，慢（màn）降柵（shān）壓過程結束（shù），同時（shí）驅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恢複截止，C1通過R2放電，d點電（diàn）壓升高，VT2也（yě）恢複截（jié）止，uge上升，電路恢複正常工作狀態。
6 IGBT開關（guān）過程中的過電壓
關斷IGBT時（shí），它的集電極電流的下降（jiàng）率較（jiào）高，尤其是在短路故障的情況（kuàng）下，如不采取（qǔ）軟關斷措施，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主電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導（dǎo）致IGBT關斷時將（jiāng）會使其（qí）電流電壓的運（yùn）行軌（guǐ）跡超出它的安全工（gōng）作區而（ér）損壞（huài）。所以從關（guān）斷的角度考慮，希望（wàng）主電路的電感和電（diàn）流下降率越小越好。但對於IGBT的開通來說，集（jí）電極電路的電感有利於抑（yì）製續流二極管的反向恢複電流和電容器充放電造成的（de）峰值電流，能減小開（kāi）通損耗，承受較高的開（kāi）通電流上升率。一般情況下IGBT開關電路的集電極不需要串聯電感，其開通損耗可以通過改善（shàn）柵極驅動條件來加以控製。
7 IGBT的關（guān）斷緩衝（chōng）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（hào），通（tōng）常（cháng）都需要給（gěi）IGBT主電路設置關斷緩衝吸收電路。IGBT的關斷緩衝吸收電路分（fèn）為充放電型和（hé）放電阻止型（xíng）。
充放電型有（yǒu）RC吸收和RCD吸收2種。如圖6所示。
(a)RC型 (b)RCD型
圖 6 充 放 電（diàn） 型（xíng） 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上產生（shēng）壓降，還會造成過衝（chōng）電壓。RCD電路因（yīn）用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過衝電壓。
圖（tú）7是三種放（fàng）電（diàn）阻止型吸收電路（lù）。放電阻止型緩衝電路中吸（xī）收電容Cs的放電電壓為電源電壓，每次關斷前，Cs僅將上次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。因電容電壓在IGBT關斷時從電源電壓開始上升，它的過電壓吸（xī）收能力不（bú）如RCD型充放電（diàn）型（xíng）。
(a)LC型 (b)RLCD型 (c)RLCD型
圖7 三 種 放 電（diàn） 阻 止（zhǐ） 型 吸 收 電 路
從吸收過電壓的能力來說，放電阻止型吸（xī）收效果稍差，但能（néng）量損（sǔn）耗較（jiào）小。
對緩衝吸收電（diàn）路（lù）的要求是：
1）盡量減小主電路（lù）的（de）布（bù）線電感La；
2）吸收電容應采用（yòng）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（guǎn）應（yīng）選用快開通和快軟恢複二極管，以免產（chǎn）生開通過電壓（yā）和反向恢複引起較大的（de）振蕩過電壓。
8 結語
本文對IGBT的驅動和保護技術進行了（le）詳細的分析，得出了設計（jì）時（shí）應注意幾點事項：
——IGBT由於有（yǒu）集電極－柵極寄生電容的密勒效（xiào）應（yīng）影響，能引起意外的（de）電壓尖峰損害，所以設計時應讓柵極電路的阻（zǔ）抗足夠低以盡量消除其負（fù）麵影響。
——柵極串聯（lián）電阻和驅動（dòng）電路內阻抗對（duì）IGBT的開通（tōng）過程及驅動（dòng）脈衝的波形都有很大影響。所以（yǐ）設計（jì）時應綜合考慮。
——應采用慢降柵壓技術來控製故障電流的下降速率，從而抑製（zhì）器件的dv/dt和uce的峰值，達到短路保護的目的（de）。
——在工作電流較大的情況下，為了減小關斷過電壓，應盡量減小主電路的布線電感，吸收電容器應采用低感型。
