IGBT模塊驅動及保護技術

2020-09-23 00:00:00    來源：河（hé）南盈（yíng）磁高中頻加熱（rè）設備    點擊：4389    喜歡（huān）：0

1  引言

    IGBT是MOSFET與雙極晶體管的複（fù）合器件。它既有MOSFET易（yì）驅動的特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優（yōu）點。其頻率（lǜ）特性介於MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作於（yú）幾十kHz頻率範圍內，故在較高頻（pín）率的大、中功率應用中占據了（le）主導（dǎo）地位。

    IGBT是電壓控製型器（qì）件，在它的柵（shān）極-發射極間施加十幾V的（de）直流電壓，隻有μA級的漏電流（liú）流過，基本上不消耗功率。但IGBT的（de）柵極-發射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上萬pF），在驅動脈衝電壓的上升及下降沿需要提供數A的充放電電流，才能滿足開（kāi）通和關（guān）斷的動態（tài）要求，這（zhè）使得（dé）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（lǜ）的複合器件，存在（zài）著（zhe）過流時可能發生鎖定現象而造成損（sǔn）壞的問題。在（zài）過流時如采用一般的速度（dù）封鎖柵（shān）極電（diàn）壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此（cǐ）需要采用軟關斷（duàn）技術，因而掌（zhǎng）握（wò）好IGBT的驅（qū）動和保護（hù）特性是十分必要的。

2  柵（shān）極特性

    IGBT的柵極通過一層氧化膜與發（fā）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（de）常見（jiàn）原（yuán）因之一。在應用（yòng）中有時雖然保證了柵（shān）極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極（jí）連線的寄生電感和柵極－集電極間的（de）電容耦合，也會產生使氧化層損（sǔn）壞的振蕩電壓。為此。通常（cháng）采（cǎi）用絞（jiǎo）線（xiàn）來傳送驅動信號，以減小（xiǎo）寄生電感。在柵（shān）極連線中串聯小電阻也可以抑製振蕩（dàng）電（diàn）壓。

    由於IGBT的柵極－發射極和柵極－集電極間存在著分布（bù）電容Cge和Cgc，以（yǐ）及發射極（jí）驅動電路中存在有分布電感Le，這些分（fèn）布參數的影（yǐng）響，使得IGBT的實際驅（qū）動波形與理想驅動波形不完全相同，並產（chǎn）生了不利於IGBT開（kāi）通和關（guān）斷的因素。這可以用帶續（xù）流二（èr）極管的電感負載電路（見圖1）得到驗證。

 

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

圖1  IGBT開關等效電路和（hé）開通波形

    在（zài）t0時（shí）刻，柵極驅動電壓開始上升，此時影響柵極（jí）電壓uge上升斜率的主要因素隻有Rg和Cge，柵極（jí）電（diàn）壓上升較快（kuài）。在t1時刻達到IGBT的柵極門檻值，集電極（jí）電流開始上升。從此時開（kāi）始有2個原因導致（zhì）uge波形偏（piān）離原有的軌跡。

    首先，發射極電路中的分布電感Le上的感應電壓隨著集電（diàn）極電流ic的增加而（ér）加大，從而削弱（ruò）了（le）柵極驅動電壓，並且降低了柵極－發射極間的uge的上升率，減緩（huǎn）了集電極電流的（de）增長（zhǎng）。

    其次，另一個影響柵極（jí）驅動電路電壓的因素是柵極－集電極電（diàn）容Cgc的密（mì）勒效（xiào）應。t2時刻，集電極電流達到最大值，進而柵（shān）極－集電（diàn）極間電容Cgc開始放電，在驅動電（diàn）路中增加了（le）Cgc的容性電流（liú），使得在驅動（dòng）電路內阻抗上的（de）壓降增（zēng）加（jiā），也（yě）削弱了柵極驅動電壓。顯（xiǎn）然，柵極驅動電路（lù）的阻抗（kàng）越低，這種效應（yīng）越弱，此效應一直維持到t3時刻，uce降到零為止。它（tā）的影響同樣減緩了IGBT的開通過程（chéng）。在t3時（shí）刻（kè）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（yóu）圖1波形（xíng）可看（kàn）出，由於Le和Cgc的存在，在（zài）IGBT的實際（jì）運（yùn）行中uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅動電壓上升的（de）效應，表現為對集（jí）電極電流（liú）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及柵極驅動電路的（de）內阻盡量小（xiǎo），以獲得較快的開通（tōng）速度。

    IGBT關斷時的波形如圖2所（suǒ）示。t0時刻柵極驅動電壓開始下降，在t1時刻達到剛能維（wéi）持集電極正常工作電流的水平（píng），IGBT進入線性工（gōng）作區，uce開始（shǐ）上升，此（cǐ）時，柵極（jí）－集電極間電容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期間基本不（bú）變，在t2時刻uge和ic開始以柵極－發射極間（jiān）固有阻抗所決（jué）定的速度下降，在t3時，uge及（jí）ic均降為零，關斷結束。

    由圖2可看出，由於電（diàn）容Cgc的存在，使得IGBT的關斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方麵應選擇Cgc較小的IGBT器件；另一（yī）方麵應減小驅（qū）動電路的內阻抗，使流入Cgc的充電電流（liú）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（hé）導通壓（yā）降：uge增加，飽和（hé）導通電壓將減小。由於（yú）飽（bǎo）和導通電壓是IGBT發熱的主要原因之一，因此（cǐ）必須盡量（liàng）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（guān）斷時給其柵極－發射（shè）極（jí）加一定的（de）負偏壓有利於提高IGBT的抗（kàng）騷擾能力，通常（cháng）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、下降速率對IGBT開通關斷過程有著較大的影響。IGBT的MOS溝道（dào）受柵極電壓的直接控製，而MOSFET部分的漏極電流控（kòng）製著雙（shuāng）極部分的柵極電流，使得IGBT的開通（tōng）特性主要決定於它的MOSFET部分，所（suǒ）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（bù）少子的（de）複合速率，少子的複合受MOSFET的關斷影響，所以柵極驅動對IGBT的關斷也有影響。

    在高頻（pín）應用時，驅動（dòng）電壓的上升、下降速率應快一些，以（yǐ）提高IGBT開關速率降低損耗。

    在正常狀態下IGBT開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續流二極管的反（fǎn）向恢複電流和吸收電容的放電電流，則開通（tōng）越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易（yì）導致IGBT損（sǔn）害。此時應降低柵極驅動電（diàn）壓的上升速（sù）率，即增（zēng）加柵極串聯電阻的阻值，抑製該電（diàn）流的峰值。其代價是較大的（de）開通損耗。利用此技術，開通過程的電流峰值可以控（kòng）製在任意值。

    由（yóu）以上分析可知，柵極串聯電阻和驅動電（diàn）路內阻（zǔ）抗對IGBT的開通過程影響（xiǎng）較大，而對關斷過程影響小一些，串聯電阻小有（yǒu）利於加快關斷速率（lǜ），減（jiǎn）小（xiǎo）關斷損（sǔn）耗，但過小會造成di/dt過（guò）大，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要求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。電阻值過小時會造成脈衝振蕩，過大時脈衝波形的前後沿（yán）會發生延遲（chí）和變緩。IGBT的柵極輸入電容Cge隨著其額（é）定（dìng）電流容量的增加而增（zēng）大（dà）。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（jiàn），應提供較大的（de）前後沿充電電流。為此，柵極串聯電阻的電阻值應隨著IGBT電流容量的增加而減（jiǎn）小。

4  IGBT的驅動電路

    IGBT的驅動（dòng）電路必（bì）須具備2個功能：一是實現控製電路（lù）與被驅動IGBT柵（shān）極的電隔離；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壓器（qì）、微分變壓（yā）器及（jí）光電耦合器。

    圖3為采用光耦（ǒu）合器等分立元器件構（gòu）成的IGBT驅動電路。當（dāng）輸入控製信號時，光耦VLC導通，晶體管V2截止，V3導通輸出＋15V驅動電壓。當輸入控製信號為零時，VLC截止，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（chū）端（duān）及電源地端至（zhì）IGBT柵極和發射極的引線應采用雙絞線，長（zhǎng）度最好不（bú）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，可直接驅動50A/1200V以內的IGBT。外加推挽放大晶體管後，可驅動電（diàn）流容量更大的IGBT。TLP250構成的驅動（dòng）器體積小，價格便宜，是不帶過流保（bǎo）護（hù）的IGBT驅動器中較（jiào）理想的選（xuǎn）擇。

 

圖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（bǎo）護電（diàn）路可分為（wéi）2類：一類是低倍數的（1.2～1.5倍）的過載（zǎi）保護；一類（lèi）是高倍數（可達8～10倍）的短路保護。

    對於過載保（bǎo）護不必快速響應，可采用集中式保護，即檢測（cè）輸入端或直流環節的總電流，當此電（diàn）流超過設定值後（hòu）比較器翻轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈（mò）衝，使輸出（chū）電（diàn）流降為零。這種過載電流保護，一旦動作後，要通過複（fù）位（wèi）才能恢複（fù）正常工作。

    IGBT能（néng）承受很（hěn）短時間（jiān）的短路電流，能承受短（duǎn）路電流的時間與該IGBT的導通飽和壓降有關，隨著飽和導通壓降的增加而延長。如飽和壓降小於2V的IGBT允許承受的短（duǎn）路時間小於5μs，而（ér）飽（bǎo）和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達（dá）15μs，4～5V時可達30μs以上。存在以上關係是由於隨（suí）著飽和導（dǎo）通壓（yā）降的降低，IGBT的阻抗也（yě）降低，短路（lù）電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方加（jiā）大，造成承受短路的時間（jiān）迅速（sù）減小。

    通常（cháng）采取的保護措施（shī）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（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擾能（néng）力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一（yī）延時，不過故障電流會在（zài）這個延時內急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導致器件的di/dt增大（dà）。所以往往是保護電路啟動了，器件（jiàn）仍然壞了。

    降柵壓旨在檢（jiǎn）測（cè）到器件（jiàn）過（guò）流（liú）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（liú）在這（zhè）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，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關斷時的（de）di/dt，對器件保護十分有利。若延（yán）時後（hòu）故障信號依然存在，則關斷（duàn）器件，若故障信號消失，驅動電路可自動恢複正常的工作狀（zhuàng）態，因而大大增強了抗騷擾能力。

   上（shàng）述降柵壓的方法隻考慮了柵壓（yā）與短路電流大小（xiǎo）的關係（xì），而在實（shí）際過（guò）程中，降柵壓的速度也是一個重要（yào）因素，它直接決定了故障電流下（xià）降的di/dt。慢（màn）降柵壓技術就是通過限製降柵壓（yā）的（de）速度來控製故障電流的下降速率，從而（ér）抑製器件的dv/dt和uce的峰值（zhí）。圖5給（gěi）出了實現（xiàn）慢降柵壓的具體電路。

圖5  實現慢降柵壓的電路  

  正常工作時，因故障檢測二極管VD1的導通，將a點的電（diàn）壓鉗位在穩壓二極管VZ1的擊穿電壓以下，晶體管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為硬開關應用（yòng）場合提供一（yī）很小的延時，使得V1開通時uce有（yǒu）一定的時間從高電壓（yā）降到通態壓降，而不使保護電路動作。

    當電路（lù）發生過流（liú）和短路故障時（shí），V1上的uce上升，a點電壓隨之上升（shēng），到一定值（zhí）時，VZ1擊穿，VT1開通，b點電壓下降，電容C1通過（guò）電阻R1充電，電容電壓從零開始上升，當電容（róng）電壓上升到約1.4V時，晶（jīng）體管VT2開通，柵極電壓uge隨電容電（diàn）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（jìn）而控製uge的下降速度（dù）；當電容電壓（yā）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）定的數（shù）值上，慢降柵（shān）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（gù）障信號消失了，則a點電壓降低，VT1恢複（fù）截止，C1通過R2放電，d點電（diàn）壓升高，VT2也恢複截止（zhǐ），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（de）下降率較高，尤其（qí）是在短路故障的情況下，如不采取軟關斷措施，它的（de）臨界（jiè）電流下降率將達到數kA/μs。極高（gāo）的電流下降（jiàng）率將會在主電路的分布電感上感應出較高（gāo）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（tā）的安全工作（zuò）區而（ér）損壞。所以從關斷的角度考慮，希望（wàng）主電路的電感和電流下降率（lǜ）越小越好。但對於IGBT的（de）開通來說，集電（diàn）極電（diàn）路的電感有利（lì）於抑製續流二極管的反向恢複電流和電容器充放電造成的峰值電流，能（néng）減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT開關電路的集電極不需要串聯電感，其開通損（sǔn）耗可以通過改善柵極驅動條件來加（jiā）以控製。

7  IGBT的關斷緩衝吸收電路

    為了使IGBT關（guān）斷過電壓能得到有效（xiào）的抑製並減小關斷損耗，通常都需要給IGBT主（zhǔ）電（diàn）路設置關斷緩衝吸收電路。IGBT的關斷緩衝吸收電路分為充（chōng）放電（diàn）型和放電阻止（zhǐ）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 6    充 放 電 型 IGBT緩 衝 吸 收（shōu） 電（diàn） 路

    RC吸收（shōu）電路因電容C的充電電流在電阻R上產生（shēng）壓降，還會造成過衝電壓。RCD電路因用二極管旁路了電（diàn）阻上的充電電流，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中吸收電容Cs的放電電壓為（wéi）電源電壓，每次（cì）關（guān）斷（duàn）前，Cs僅將上（shàng）次關（guān）斷（duàn）電壓的（de）過衝部分能量回（huí）饋到（dào）電源，減小了吸收電路的功耗。因電容電壓在IGBT關斷時從電源電（diàn）壓開始上升，它的過電壓吸收能力（lì）不如RCD型充放電型。

 

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

圖7  三 種 放 電 阻 止（zhǐ） 型 吸 收 電 路

    從吸收（shōu）過電壓（yā）的能力來（lái）說，放（fàng）電阻（zǔ）止型吸收效果稍（shāo）差，但能（néng）量損耗較小。

    對緩衝吸收電路的要求（qiú）是：

    1）盡量減小主電路的布線電感La；

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

    3）吸收二極管應（yīng）選用快開（kāi）通和快軟恢複二極管，以（yǐ）免產生開通過電壓和反向恢複引起較大（dà）的振蕩過電壓。

8  結語（yǔ）

    本文對IGBT的驅動和保護技術進行了詳細的分析，得出了設計時應注意幾點（diǎn）事項：

    ——IGBT由（yóu）於（yú）有集電（diàn）極－柵極寄生電容的密勒效應影響（xiǎng），能引起意外的電壓尖峰損害，所以設計時應讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消（xiāo）除（chú）其負（fù）麵影響。

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

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

    ——在工作電流較大的情況下，為了減小關（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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