IGBT模塊驅（qū）動及保護技術

2020-09-23 00:00:00    來源：河南午夜羞羞视频在线观看高中頻加熱設備    點擊（jī）：3057    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（tǐ）管電壓、電流容量大等優點（diǎn）。其頻（pín）率（lǜ）特（tè）性介於MOSFET與功率（lǜ）晶體管之間，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（xíng）器件，在它的（de）柵極（jí）-發射極間施加十幾V的直流電壓（yā），隻（zhī）有μA級的漏電流流過，基本上不消耗功率（lǜ）。但IGBT的柵極-發（fā）射極間存在著較大的寄生電容（幾千至上（shàng）萬pF），在驅（qū）動脈衝電壓的上（shàng）升及下降沿（yán）需要提供數A的充放電（diàn）電流，才能滿足開通和關斷的動態要求，這使（shǐ）得它的（de）驅動電路也必須輸出一定的峰值電（diàn）流（liú）。

    IGBT作為一種大功率的複合器件，存（cún）在著過（guò）流時（shí）可能發生鎖定現象而（ér）造（zào）成損壞的問題。在過流時如采用（yòng）一般的速度封鎖柵極（jí）電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關斷技術，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的柵極通過一層氧化膜與發射極實（shí）現電隔離。由（yóu）於此氧化膜很薄，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（cháng）見原因之一（yī）。在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定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極（jí）－集電極（jí）間的電容耦合，也（yě）會產生使（shǐ）氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線來傳送（sòng）驅（qū）動信號，以減小寄生電感（gǎn）。在柵極連線中串聯小電阻（zǔ）也可以抑（yì）製振蕩電壓。

    由於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）極驅動電路中存在有分布電感Le，這些分布（bù）參數的影響，使得IGBT的實際驅動波形與理想（xiǎng）驅（qū）動波形不完全相同，並產生了不利於IGBT開通和關斷的因素。這可以用帶續流二極管的電感負（fù）載電路（見（jiàn）圖1）得到驗（yàn）證。

 

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

圖1  IGBT開關等效電路和開通波（bō）形

    在t0時刻，柵極驅動電壓開始上升，此時影（yǐng）響柵極電壓uge上升斜率（lǜ）的主要因素隻有Rg和Cge，柵極電壓上升較快。在t1時刻達到IGBT的（de）柵極門檻值（zhí），集電極電流開始上（shàng）升。從（cóng）此時開始有（yǒu）2個原因導致uge波形偏離原有的軌跡。

    首先，發射極（jí）電路中的分布電感Le上的感應電壓隨著（zhe）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，減緩了集電極電流的增長。

    其次，另一個影（yǐng）響柵極驅動電路電（diàn）壓的因素是柵極－集電極電容Cgc的密勒效應。t2時刻（kè），集電極電流達到最大值，進而柵極－集電極間電容Cgc開始放電，在驅動電（diàn）路中增加了Cgc的容性電流，使（shǐ）得在驅動（dòng）電路內阻抗上的壓降（jiàng）增加，也削弱了柵極驅動電壓。顯然，柵極驅動電路的阻抗越（yuè）低，這種效應越弱，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（de）開通過程。在t3時刻（kè）後（hòu），ic達到穩態值，影（yǐng）響柵極電壓uge的因素消失後（hòu），uge以較快的上升（shēng）率達（dá）到最（zuì）大（dà）值。

    由圖1波形（xíng）可看出，由於Le和（hé）Cgc的存在，在IGBT的實際運行中（zhōng）uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅（qū）動電壓上升的（de）效應，表現為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了（le）減緩此效應，應使IGBT模塊的Le和Cgc及柵極驅動電路的內阻盡量小（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降，在t1時（shí）刻達到剛能維持集（jí）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（shàng）升，因Cgc耦合充電作用（yòng），uge在（zài）t1－t2期間（jiān）基本不變，在t2時刻uge和ic開始以柵極－發（fā）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，關斷結束。

    由圖2可（kě）看出，由於（yú）電容（róng）Cgc的存在，使得IGBT的關斷過程也延長了許多。為了減小此影（yǐng）響，一方麵應選擇Cgc較小的IGBT器件（jiàn）；另一方麵應減小（xiǎo）驅動電（diàn）路的內（nèi）阻抗（kàng），使流入Cgc的充電電流增加（jiā），加（jiā）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（de）uge幅值也影響著飽和導通（tōng）壓降（jiàng）：uge增加（jiā），飽和導通電壓（yā）將減小。由於飽和導（dǎo）通電壓是IGBT發（fā）熱的主要原因之一，因此必須（xū）盡量減小。通常uge為15～18V，若（ruò）過高，容易造（zào）成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關斷時（shí）給其柵極－發射極加（jiā）一定的（de）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（lián）電阻對柵極（jí）驅動波（bō）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（zhe）較大的（de）影（yǐng）響。IGBT的MOS溝道受（shòu）柵極電壓的（de）直接控（kòng）製，而MOSFET部分的漏極電流控製著雙極（jí）部分的柵極電流，使得（dé）IGBT的開通（tōng）特性主要決定於它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極驅（qū）動波形的影響較（jiào）大。IGBT的（de）關斷（duàn）特性主要取決於內部少子的複合速率，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（yǒu）影響（xiǎng）。

    在（zài）高頻應用時，驅動（dòng）電壓的上升、下降速率應（yīng）快一（yī）些，以提高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向恢複電流和吸收電容的放（fàng）電電流，則開（kāi）通越快，IGBT承受的峰值電流越大，越容易導致IGBT損害。此時（shí）應降低柵極驅動電壓的上（shàng）升速（sù）率，即（jí）增加柵極（jí）串聯電阻的阻（zǔ）值，抑製該電流的峰值。其代（dài）價是較大的開通損耗。利用此（cǐ）技術，開通（tōng）過程的電流（liú）峰值可（kě）以控製（zhì）在任意（yì）值。

    由以上（shàng）分析可知，柵極串聯電阻和驅動電（diàn）路內（nèi）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（chuàn）聯電阻小有利於加快關斷速率，減小關斷損耗，但過小會造（zào）成di/dt過大，產生較大的集電極電壓尖（jiān）峰。因（yīn）此對串（chuàn）聯電阻要根據具體設計要求進行全麵綜（zōng）合（hé）的考慮。

    柵（shān）極電阻（zǔ）對驅動脈衝的波形也有影響。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生延遲和變緩（huǎn）。IGBT的柵極輸入電容（róng）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脈衝前後沿速（sù）率，對於電流容量大（dà）的IGBT器件，應（yīng）提供較大的前後沿充電電流（liú）。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小。

4  IGBT的驅（qū）動電路

    IGBT的驅動電路必須具備2個（gè）功能：一是實現控製電路與被驅動IGBT柵極的（de）電隔離；二是提供合適的柵極驅動（dòng）脈衝（chōng）。實現電隔離可采用脈衝變壓器、微（wēi）分變壓器及光（guāng）電耦合（hé）器。

    圖3為采用光（guāng）耦（ǒu）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（diàn）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（shè）極（jí）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 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（diàn）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（yǐ）內的IGBT。外加推挽（wǎn）放（fàng）大晶體管後，可驅動電流容量更大的IGBT。TLP250構成的驅動（dòng）器體積小，價（jià）格便宜，是不帶過流（liú）保護（hù）的IGBT驅動器中較理想的選擇。

 

圖4  由 集 成 電 路TLP250構 成 的 驅 動 器

5  IGBT的過流（liú）保護

    IGBT的（de）過流保護電路可分為2類：一類是低倍數的（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速響應，可采用集中（zhōng）式保護，即檢測輸入端或直流環節的總電流，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（mò）衝（chōng），使輸出電流降為零。這種過載電流保護，一旦動作後，要通過（guò）複位才能恢複正常工作。

    IGBT能承受（shòu）很短時間的短路電流，能承受短路電流的（de）時間（jiān）與該（gāi）IGBT的（de）導通飽和壓（yā）降（jiàng）有關，隨著飽和導通壓降的增加而（ér）延（yán）長。如飽和壓降小於2V的IGBT允許承受的短路（lù）時間小於5μs，而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15μs，4～5V時可達30μs以上。存在（zài）以上關係是由於（yú）隨著飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時（shí）增（zēng）大，短路時（shí）的功耗隨著電流的（de）平方（fāng）加大，造成承受（shòu）短路（lù）的時間迅速減小。

    通常采取的保護措施有軟關斷和（hé）降柵（shān）壓2種。軟關（guān）斷指在過流和短路時，直接關（guān）斷IGBT。但是，軟關斷抗騷擾能力差，一旦（dàn）檢測到過流信號就（jiù）關斷，很容易發生（shēng）誤動作。為（wéi）增加（jiā）保護電（diàn）路的（de）抗騷（sāo）擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之（zhī）間加一延時，不過故障電流會在這個延時內急劇上升，大大增加（jiā）了功率損耗（hào），同時（shí）還會導（dǎo）致器件的di/dt增大。所以往往（wǎng）是保護（hù）電路啟動了，器件仍然壞了。

    降柵壓（yā）旨在檢測到器件過（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（yán）時，故障（zhàng）電流在這一延時（shí）期內被限製（zhì）在一（yī）較小（xiǎo）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（shí）的di/dt，對器件保護十分有利（lì）。若延（yán）時後故障信號依然存（cún）在，則關斷器件，若故障（zhàng）信號消失，驅動電路可自動恢複正常的工（gōng）作（zuò）狀態，因而（ér）大大增強了抗（kàng）騷（sāo）擾能力。

   上述降柵壓的方法隻考慮了柵壓與短路電流大小的關係，而在實際過程中（zhōng），降柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故（gù）障電流下降的di/dt。慢降（jiàng）柵壓技術就是通過限製降柵壓的速度來控製故障電流的（de）下降速率，從而抑製器（qì）件的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  實現慢降柵壓的電路  

  正常工（gōng）作（zuò）時，因故障檢（jiǎn）測二極管VD1的導通，將a點的電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。電容C2為硬開關（guān）應用場（chǎng）合提供一很小的延時（shí），使得V1開（kāi）通時uce有一定的時間從高電壓降到通態壓（yā）降，而不使保護電路動（dòng）作。

    當電路發生過（guò）流和短路故障時，V1上的uce上升，a點電壓隨之上升，到一（yī）定（dìng）值時，VZ1擊穿，VT1開通，b點電壓下（xià）降，電容C1通過電阻R1充電，電容電壓從（cóng）零開始上（shàng）升，當（dāng）電容電（diàn）壓上升到約1.4V時，晶體（tǐ）管VT2開通，柵（shān）極電壓（yā）uge隨電容電壓的上升而下降，通過調節C1的數值（zhí），可（kě）控製（zhì）電容的充電速度，進而控製uge的下降速度；當電容（róng）電壓上（shàng）升到穩壓二極管VZ2的擊穿（chuān）電壓時，VZ2擊穿，uge被鉗位在一固定的數值上，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（hào）。如果在延時過程中，故障信（xìn）號消失了，則a點電壓降低，VT1恢複截止，C1通過R2放電，d點電壓（yā）升（shēng）高，VT2也恢複截止，uge上（shàng）升，電（diàn）路恢複正常工作狀（zhuàng）態。

6  IGBT開關（guān）過程中的過電壓

  關斷IGBT時，它的集電極電流的（de）下降（jiàng）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，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（zhǔ）電路的分布電感上感應（yīng）出較高的（de）過（guò）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壞。所以從關斷的角度考慮，希望主電路的（de）電感和電流下降（jiàng）率（lǜ）越小（xiǎo）越好。但對於IGBT的（de）開通（tōng）來說，集電極電路的電感有利於抑製續流二極管的反向恢複電流和電容器（qì）充放電造成的峰值電流，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（shān）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關斷過電壓能得到有效的抑製並減小（xiǎo）關斷損耗（hào），通常都（dōu）需要給IGBT主電路設置（zhì）關斷緩衝吸收電路。IGBT的關斷緩衝吸（xī）收（shōu）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。如圖6所示（shì）。

 

(a)RC型                                     (b)RCD型

圖 6    充 放 電 型（xíng） IGBT緩 衝（chōng） 吸 收 電 路

    RC吸收電路因電容C的充電電流在電（diàn）阻R上產生壓降，還會造成過衝電壓。RCD電路因用二極管旁（páng）路了電阻上的充（chōng）電電流（liú），從而克服了過衝電壓。

    圖7是三（sān）種（zhǒng）放電阻止型吸收電路。放電阻止型緩（huǎn）衝電路中（zhōng）吸收（shōu）電容Cs的（de）放電電壓為電源電壓，每（měi）次關斷（duàn）前，Cs僅（jǐn）將上（shàng）次關斷電壓的過衝（chōng）部分能量回饋到電源（yuán），減（jiǎn）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，它的過電壓吸收（shōu）能（néng）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 止（zhǐ） 型 吸 收 電 路

    從吸收過（guò）電壓的能力來說，放電阻（zǔ）止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。

    對緩（huǎn）衝吸收電路（lù）的要求是：

    1）盡（jìn）量減小（xiǎo）主電路的布線電感La；

    2）吸收電容應采用低感吸收（shōu）電容，它的（de）引線應盡量短，最好直接（jiē）接在IGBT的端子上；

    3）吸（xī）收二極管應選用（yòng）快開（kāi）通和快軟（ruǎn）恢複二極管，以免產生開通過電壓和（hé）反向恢複引起較大的振蕩過電壓。

8  結（jié）語

    本文（wén）對IGBT的驅動和保護技術進行了詳細（xì）的分析，得出了（le）設計時應注意幾點事（shì）項：

    ——IGBT由於有集電極－柵極（jí）寄生電容的密勒效應影響，能（néng）引起意外（wài）的電壓尖峰損害，所以設計時應（yīng）讓柵極電路的阻抗足（zú）夠低以盡（jìn）量消除其負麵影（yǐng）響。

    ——柵極串聯電阻和驅動電路（lù）內阻抗對IGBT的開通過程及驅（qū）動脈衝的波形（xíng）都（dōu）有很大（dà）影響。所以設計時應（yīng）綜合考慮。

    ——應采用慢降柵壓技（jì）術（shù）來（lái）控製故障電流的（de）下（xià）降速率，從而抑製器（qì）件的dv/dt和uce的峰值，達到短路（lù）保護的目的（de）。

    ——在工作電流較大（dà）的情況下，為了減小關（guān）斷過電壓，應盡量減小（xiǎo）主電路的布線電感（gǎn），吸收電容器應采用低感型。

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