IGBT模塊驅動及保護技術

2020-09-23 00:00:00    來源：河南盈（yíng）磁高中頻加熱設備    點擊：3058    喜歡：0

1  引言

    IGBT是（shì）MOSFET與雙極晶體（tǐ）管的（de）複合器件。它既有MOSFET易驅（qū）動的特（tè）點，又（yòu）具有功率晶體管電壓、電（diàn）流容量大等優點。其頻率特（tè）性介於MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作（zuò）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（dǎo）地位。

    IGBT是（shì）電壓控製型器（qì）件，在它的柵極-發射（shè）極間施加十幾（jǐ）V的（de）直流電壓，隻有μA級的漏（lòu）電流流過，基本上不消耗（hào）功率。但IGBT的柵極-發射極間存在著（zhe）較大的（de）寄生電（diàn）容（幾千至上萬pF），在驅動（dòng）脈衝電壓的上升及下（xià）降沿需要提供數A的充放電電流，才能滿足開通和關斷（duàn）的動態要求，這使得它的驅動電路也必須（xū）輸（shū）出一定的峰（fēng）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生鎖定現象而造成損（sǔn）壞的問題。在過流（liú）時如采用一般的速度封鎖（suǒ）柵極電壓，過高的電流變化率會引起（qǐ）過電壓，為此需要采用（yòng）軟關斷技術，因（yīn）而掌握（wò）好IGBT的驅動和保護特性是十分必要的。

2  柵極特性

    IGBT的柵極通過一層氧化膜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）隻能達（dá）到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見（jiàn）原因之一。在應用中有時雖然（rán）保證了柵極驅動電壓沒有（yǒu）超（chāo）過柵極（jí）最大額定電壓，但柵極連線的寄生電（diàn）感和柵極（jí）－集電極間的電容耦合，也會產（chǎn）生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采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（xiǎo）電阻也可以抑製（zhì）振（zhèn）蕩電壓。

    由於IGBT的柵極－發射極和柵極－集電極間存在著（zhe）分布（bù）電容Cge和Cgc，以及發射極驅動電路中存在有分布電（diàn）感Le，這些分布參數的影響，使得IGBT的實際驅動波形（xíng）與理想驅動波形不完全相同，並產生了不利於（yú）IGBT開通和關斷的因素。這可以（yǐ）用帶續流二極管的電感（gǎn）負載電路（見圖1）得到驗（yàn）證。

 

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

圖1  IGBT開（kāi）關等效電（diàn）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（xiǎng）柵極（jí）電壓uge上（shàng）升斜率（lǜ）的主要因素隻有Rg和（hé）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。從此時開始有2個原因導（dǎo）致uge波形偏離原有的軌跡。

    首先，發射極電路中（zhōng）的分布電感Le上的感應電壓隨著集（jí）電極（jí）電流ic的增加而加大，從而削弱了柵極驅（qū）動電壓，並且降（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－集電極電容Cgc的密勒效應。t2時（shí）刻，集電極電流達（dá）到最大值，進而柵極－集（jí）電極間（jiān）電容Cgc開始放電，在（zài）驅動電路中增（zēng）加（jiā）了Cgc的容性電流，使得在（zài）驅動電路內阻抗上的壓降增加，也（yě）削弱了柵極（jí）驅（qū）動電壓。顯然，柵（shān）極驅動電路的阻抗越低（dī），這種（zhǒng）效應越弱（ruò），此效應一直維（wéi）持到t3時刻（kè），uce降到零為止。它的影響同樣減緩了（le）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（shī）後，uge以較快的（de）上（shàng）升率達到最大值。

    由圖1波形可看出，由於Le和Cgc的存在（zài），在IGBT的實（shí）際運行中uge的上升速率減（jiǎn）緩了許多，這種阻礙驅動（dòng）電壓上升的效應，表現為對（duì）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及柵極（jí）驅動電路（lù）的內阻盡量（liàng）小，以獲得較快的（de）開通速度。

    IGBT關斷時的波形如圖2所（suǒ）示（shì）。t0時刻柵極驅（qū）動電壓開始下降，在t1時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－集電極間電容（róng）Cgc的密勒效應支配著uce的上（shàng）升，因Cgc耦合充（chōng）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速度下降，在t3時，uge及ic均降為零，關（guān）斷結束。

    由圖2可看出，由於電容Cgc的存在，使（shǐ）得IGBT的關斷過程也延長了許多。為了（le）減小此（cǐ）影響（xiǎng），一方麵（miàn）應選（xuǎn）擇Cgc較小的IGBT器件；另一方麵應減小驅動電路的內阻抗，使（shǐ）流入Cgc的充電電（diàn）流增加，加快了uce的上升速度。

 

圖 2  IGBT關（guān） 斷 時 的 波 形

    在實際應用中，IGBT的uge幅值也影響著飽（bǎo）和導通壓降：uge增加，飽和導通電壓將減小（xiǎo）。由於（yú）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，若過高，容（róng）易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關斷（duàn）時給其柵極（jí）－發射極（jí）加一定的負偏壓有利於提高IGBT的抗（kàng）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（shān）極（jí）驅動電壓的上升、下降速率對IGBT開通關斷過程有著較（jiào）大的影響。IGBT的MOS溝道受柵極（jí）電壓的直接控製，而MOSFET部分的漏極電流控製著（zhe）雙極部分的柵（shān）極電流，使得IGBT的開通（tōng）特性主要決（jué）定於它的MOSFET部分，所以IGBT的開（kāi）通受柵極驅動波形（xíng）的影（yǐng）響較大（dà）。IGBT的關（guān）斷特性主要取決（jué）於內部少子的複合速率，少（shǎo）子的複合受MOSFET的關（guān）斷影響，所以柵極（jí）驅動對IGBT的關斷也有（yǒu）影響。

    在（zài）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（sù）率降低損耗。

    在正常狀態下IGBT開通越快，損耗越小。但（dàn）在開通過程中如有續流二極管（guǎn）的（de）反（fǎn）向恢（huī）複電流和吸收電容的放電電流（liú），則開通越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導（dǎo）致IGBT損害。此時應降低（dī）柵極驅動電壓的上升速率（lǜ），即增加（jiā）柵極串（chuàn）聯電阻的阻值，抑製該電（diàn）流的峰值。其代價是較大的開通損耗。利用（yòng）此技術，開通（tōng）過程的電流峰值（zhí）可以控製在任意（yì）值。

    由以（yǐ）上分析可知，柵極串聯電阻和驅動電路（lù）內阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關斷過程影響（xiǎng）小一些，串聯電阻小（xiǎo）有利於加快關斷速率，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（duì）串（chuàn）聯電阻要根據具體設（shè）計（jì）要求進行（háng）全（quán）麵綜合的考慮。

    柵（shān）極電阻對驅動脈衝的波形也有（yǒu）影響。電阻值過小時會造成脈衝振蕩，過（guò）大時脈衝波形的前（qián）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（liàng）的增加（jiā）而（ér）增大。為了保持相（xiàng）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（diàn）電流。為此（cǐ），柵（shān）極串（chuàn）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：一是實現控製電路與被驅動IGBT柵極（jí）的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈衝。實現電隔離可采用脈衝變壓器、微分變壓器及（jí）光電耦合器。

    圖（tú）3為采用光耦合器等分立（lì）元器件構成的IGBT驅動電（diàn）路。當輸入（rù）控製信號時，光耦VLC導通，晶體管V2截止，V3導通（tōng）輸出＋15V驅動電壓（yā）。當輸入控製（zhì）信號為零時，VLC截（jié）止，V2、V4導通，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（shān）極（jí）和發（fā）射極的引線應采用雙絞線，長度最好不超過0.5m。

 

圖 3  由 分 立 元 器 件 構 成（chéng） 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，上升和下降時間均小於0.5μs，輸出電流達0.5A，可直接驅（qū）動50A/1200V以內的IGBT。外加（jiā）推挽放大（dà）晶體管後，可驅動電流（liú）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（de）IGBT驅動器中較理想的選擇。

 

圖（tú）4  由 集 成（chéng） 電 路（lù）TLP250構 成 的（de） 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：一類（lèi）是低倍數的（1.2～1.5倍）的（de）過載保護；一類是高倍數（可達8～10倍）的短路保（bǎo）護。

    對於（yú）過載（zǎi）保護不必快速響應，可采用集中式保（bǎo）護（hù），即檢測輸入端或直流環（huán）節的總電流（liú），當（dāng）此電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（liú）降為零。這（zhè）種過載電流保護，一旦動（dòng）作後，要（yào）通過複位才（cái）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（lù）電流的時間與該IGBT的導（dǎo）通飽和壓降有關，隨著飽和導通壓降（jiàng）的增加而延長。如飽（bǎo）和壓降（jiàng）小於2V的IGBT允許承受的短路時間小於5μs，而飽（bǎo）和壓（yā）降（jiàng）3V的IGBT允許承受的短路時間可達15μs，4～5V時可達30μs以上（shàng）。存在以上關係是（shì）由於隨（suí）著飽和導通壓降（jiàng）的（de）降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流（liú）的平（píng）方加大，造成承受（shòu）短路的時間迅速（sù）減小。

    通常采取的保護措施有軟關斷和降柵壓2種。軟關斷指在過流和短路時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差（chà），一旦（dàn）檢測到過流信號就關斷，很容易發生（shēng）誤動作。為增加（jiā）保護電路的（de）抗騷擾能力，可在故障信（xìn）號與啟動保護電路之間（jiān）加一延時，不過故障電流會在這（zhè）個延時（shí）內急劇上升（shēng），大大增加（jiā）了功率損耗，同時還會導致器件的di/dt增大。所以往往（wǎng）是保護電路啟動了，器件仍然壞了。

    降（jiàng）柵壓旨在檢測到器（qì）件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導（dǎo）通。降柵（shān）壓後設有固定延時（shí），故障電流在這一延時期內被限製在一（yī）較小值，則降低了故障時（shí）器件的功耗，延長了器件抗（kàng）短（duǎn）路的時間，而且能夠降（jiàng）低器件（jiàn）關斷時的di/dt，對器件保（bǎo）護十分有利。若延時後故障信號依（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常的工作狀態，因而大大增強了抗騷擾能力。

   上述降柵壓的方法隻考（kǎo）慮了柵壓與短路（lù）電流大（dà）小（xiǎo）的關係，而在（zài）實際過（guò）程中，降柵壓的（de）速度也是一個重要因素，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製降柵（shān）壓的速度來控（kòng）製故障（zhàng）電流（liú）的下降速率，從而抑製器件（jiàn）的dv/dt和uce的峰值。圖5給（gěi）出了實現慢降柵壓的具體電路。

圖5  實現慢降（jiàng）柵壓的電路  

  正常工作時，因故障檢測二極管VD1的導通，將a點的電壓鉗（qián）位在穩壓二極管VZ1的擊穿電（diàn）壓以下，晶體（tǐ）管VT1始終保持截止狀態。V1通過驅動電阻Rg正常開通和關斷（duàn）。電容C2為硬開（kāi）關應用場合提供一（yī）很小（xiǎo）的延時，使得V1開通時uce有（yǒu）一定的時間從高電壓降到通態壓降，而不使保護電路動（dòng）作（zuò）。

    當電路發生過流和短路故障時，V1上的uce上升，a點電壓隨（suí）之（zhī）上升，到一定值時，VZ1擊穿，VT1開通，b點電壓下降，電容（róng）C1通過電阻R1充電，電容電壓從零開始上升，當電（diàn）容電（diàn）壓上升到約1.4V時，晶體管VT2開通，柵極電壓uge隨電容電（diàn）壓的上升而下（xià）降，通過調節C1的數值，可控製電容的充電速（sù）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（bèi）鉗（qián）位在一固定（dìng）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。如果在延時過程中，故障信號消失了（le），則a點電壓降低，VT1恢複截止，C1通過（guò）R2放電，d點（diǎn）電壓升高（gāo），VT2也恢複截止，uge上升，電路恢複正常工作狀態。

6  IGBT開關過（guò）程中的（de）過電壓

  關（guān）斷IGBT時，它的集電極電流的下降率（lǜ）較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關斷措施（shī），它的臨界電流（liú）下降率將達到數kA/μs。極（jí）高的電流下降率將會（huì）在主電路的分布（bù）電感上感應出較高的過電壓（yā），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（zuò）區而損壞。所以從關（guān）斷的角度（dù）考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對（duì）於IGBT的開通來說，集電極電路的電感有利於抑製續流（liú）二極管的反向恢複電流和電容器充放電造成（chéng）的峰值電（diàn）流，能減小（xiǎo）開通損耗，承受較高的（de）開通電流上升率。一般情況（kuàng）下（xià）IGBT開關電路的集電極不需要串聯（lián）電感，其開（kāi）通損耗可以通過（guò）改善柵極驅（qū）動條件來加以控製（zhì）。

7  IGBT的關斷緩衝吸收（shōu）電路

    為了使IGBT關斷過電壓能得到有效的（de）抑製並減小關斷損耗，通（tōng）常都需要給IGBT主電路設置關斷緩衝吸（xī）收電路。IGBT的關斷緩（huǎn）衝吸收電路分為充放電型和放電阻止型。

    充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。如（rú）圖（tú）6所示。

 

(a)RC型                                     (b)RCD型

圖 6    充 放 電 型（xíng） IGBT緩 衝 吸 收 電 路

    RC吸收電路因電容C的充電（diàn）電流在電阻（zǔ）R上產生壓降，還會造成（chéng）過衝電壓。RCD電路（lù）因用（yòng）二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過（guò）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（guò）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（diàn）壓吸收能力不如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 收 電 路（lù）

    從吸收過電壓的能力來說，放電（diàn）阻（zǔ）止型吸收效（xiào）果（guǒ）稍差，但能量損耗較小。

    對緩衝吸收電路的要求是：

    1）盡量減小主電路的布線電感La；

    2）吸收電容（róng）應采用（yòng）低（dī）感吸收電容，它的引線應盡量短，最好直接接在IGBT的端（duān）子上；

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

8  結（jié）語

    本（běn）文對IGBT的驅（qū）動和保護技術進行（háng）了詳細的分析，得出了設計時應（yīng）注意幾點事項：

    ——IGBT由於有集電極－柵極寄生電容的（de）密勒效應影響，能引起意外的電壓尖峰（fēng）損害，所以設計時（shí）應讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除其負麵（miàn）影響。

    ——柵極串聯電阻（zǔ）和（hé）驅動電路內阻抗對IGBT的開通過程及（jí）驅動脈衝的波形都有很大影響。所以（yǐ）設計時應綜合考慮。

    ——應采用慢降柵壓技術來控製故障電流的下降速率，從而抑製器件的dv/dt和uce的峰值（zhí），達到短路保護的目的。

    ——在工作電流較大的情（qíng）況下，為了減小關斷（duàn）過電壓，應盡量減小主電路的布（bù）線電感，吸收電容器（qì）應采用低感（gǎn）型。

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