中心論題：
- 深入了解IGBT的柵極特性，對設計模塊的驅動(dòng)保護技術(shù)是十分重要的
- 柵極串聯(lián)電阻和驅動(dòng)電路內阻抗對IGBT的開(kāi)通過(guò)程影響較大，對驅動(dòng)脈沖的波形也有影響
- IGBT驅動(dòng)電路必須具備控制電路－柵極的電隔離和提供合適的柵極驅動(dòng)脈沖的功能
- 采用慢降壓柵技術(shù)實(shí)現IGBT的過(guò)流保護電路
解決方案：
- 設計時(shí)應讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除集電極－柵極寄生電容密勒效應的負面影響
- 設計時(shí)綜合考慮柵極串聯(lián)電阻和驅動(dòng)電路內阻抗對IGBT的開(kāi)通過(guò)程及驅動(dòng)脈沖的波形的影響
- 采用慢降柵壓技術(shù)來(lái)控制故障電流的下降速率，達到短路保護的目的。
- 盡量減小主電路的布線(xiàn)電感，采用低感型吸收電容器以減小關(guān)斷過(guò)電壓
引言
IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內，故在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。
IGBT是電壓控制型器件，在它的柵極－發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有μA級的漏電流流過(guò)，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極－發(fā)射極間存在著(zhù)較大的寄生電容（幾千至上萬(wàn)pF），在驅動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數A的充放電電流，才能滿(mǎn)足開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅動(dòng)電路也必須輸出一定的峰值電流。
IGBT作為一種大功率的復合器件，存在著(zhù)過(guò)流時(shí)可能發(fā)生鎖定現象而造成損壞的問(wèn)題。在過(guò)流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過(guò)高的電流變化率會(huì )引起過(guò)電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好IGBT的驅動(dòng)和保護特性是十分必要的。
柵極特性
IGBT的柵極通過(guò)一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般只能達到20～30V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見(jiàn)原因之一。在應用中有時(shí)雖然保證了柵極驅動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極最大額定電壓，但柵極連線(xiàn)的寄生電感和柵極－集電極間的電容耦合，也會(huì )產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。通常采用絞線(xiàn)來(lái)傳送驅動(dòng)信號，以減小寄生電感。在柵極連線(xiàn)中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。
由于IGBT的柵極－發(fā)射極和柵極－集電極間存在著(zhù)分布電容Cge和Cgc，以及發(fā)射極驅動(dòng)電路中存在有分布電感Le，這些分布參數的影響，使得IGBT的實(shí)際驅動(dòng)波形與理想驅動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開(kāi)通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續流二極管的電感負載電路（見(jiàn)圖1）得到驗證。
圖1 IGBT開(kāi)關(guān)等效電路和開(kāi)通波形
在t0時(shí)刻，柵極驅動(dòng)電壓開(kāi)始上升，此時(shí)影響柵極電壓uge上升斜率的主要因素只有Rg和Cge，柵極電壓上升較快。在t1時(shí)刻達到IGBT的柵極門(mén)檻值，集電極電流開(kāi)始上升。從此時(shí)開(kāi)始有2個(gè)原因導致uge波形偏離原有的軌跡。
首先，發(fā)射極電路中的分布電感Le上的感應電壓隨著(zhù)集電極電流ic的增加而加大，從而削弱了柵極驅動(dòng)電壓，并且降低了柵極－發(fā)射極間的uge的上升率，減緩了集電極電流的增長(cháng)。
其次，另一個(gè)影響柵極驅動(dòng)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，集電極電流達到最大值，進(jìn)而柵極－集電極間電容Cgc開(kāi)始放電，在驅動(dòng)電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅動(dòng)電路內阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅動(dòng)電壓。顯然，柵極驅動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應越弱，此效應一直維持到t3時(shí)刻，uce降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT的開(kāi)通過(guò)程。在t3時(shí)刻后，ic達到穩態(tài)值，影響柵極電壓uge的因素消失后，uge以較快的上升率達到最大值。
由圖1波形可看出，由于Le和Cgc的存在，在IGBT的實(shí)際運行中uge的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅動(dòng)電壓上升的效應，表現為對集電極電流上升及開(kāi)通過(guò)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(dòng)電路的內阻盡量小，以獲得較快的開(kāi)通速度。
IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖2所示。t0時(shí)刻柵極驅動(dòng)電壓開(kāi)始下降，在t1時(shí)刻達到剛能維持集電極正常工作電流的水平，IGBT進(jìn)入線(xiàn)性工作區，uce開(kāi)始上升，此時(shí)，柵極－集電極間電容Cgc的密勒效應支配著(zhù)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(shí)刻uge和ic開(kāi)始以柵極－發(fā)射極間固有阻抗所決定的速度下降，在t3時(shí)，uge及ic均降為零，關(guān)斷結束。
圖2 IGBT關(guān)斷時(shí)的波形
由圖2可看出，由于電容Cgc的存在，使得IGBT的關(guān)斷過(guò)程也延長(cháng)了許多。為了減小此影響，一方面應選擇Cgc較小的IGBT器件；另一方面應減小驅動(dòng)電路的內阻抗，使流入Cgc的充電電流增加，加快了uce的上升速度。
在實(shí)際應用中，IGBT的uge幅值也影響著(zhù)飽和導通壓降：uge增加，飽和導通電壓將減小。由于飽和導通電壓是IGBT發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常uge為15～18V，若過(guò)高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關(guān)斷時(shí)給其柵極－發(fā)射極加一定的負偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取5～10V。
柵極串聯(lián)電阻對柵極驅動(dòng)波形的影響
柵極驅動(dòng)電壓的上升、下降速率對IGBT開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程有著(zhù)較大的影響。IGBT的MOS溝道受柵極電壓的直接控制，而MOSFET部分的漏極電流控制著(zhù)雙極部分的柵極電流，使得IGBT的開(kāi)通特性主要決定于它的MOSFET部分，所以IGBT的開(kāi)通受柵極驅動(dòng)波形的影響較大。IGBT的關(guān)斷特性主要取決于內部少子的復合速率，少子的復合受MOSFET的關(guān)斷影響，所以柵極驅動(dòng)對IGBT的關(guān)斷也有影響。
在高頻應用時(shí)，驅動(dòng)電壓的上升、下降速率應快一些，以提高IGBT開(kāi)關(guān)速率降低損耗。
在正常狀態(tài)下IGBT開(kāi)通越快，損耗越小。但在開(kāi)通過(guò)程中如有續流二極管的反向恢復電流和吸收電容的放電電流，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(dòng)電壓的上升速率，即增加柵極串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開(kāi)通損耗。利用此技術(shù)，開(kāi)通過(guò)程的電流峰值可以控制在任意值。
由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅動(dòng)電路內阻抗對IGBT的開(kāi)通過(guò)程影響較大，而對關(guān)斷過(guò)程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率，減小關(guān)斷損耗，但過(guò)小會(huì )造成di/dt過(guò)大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰。因此對串聯(lián)電阻要根據具體設計要求進(jìn)行全面綜合的考慮。
柵極電阻對驅動(dòng)脈沖的波形也有影響。電阻值過(guò)小時(shí)會(huì )造成脈沖振蕩，過(guò)大時(shí)脈沖波形的前后沿會(huì )發(fā)生延遲和變緩。IGBT的柵極輸入電容Cge隨著(zhù)其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅動(dòng)脈沖前后沿速率，對于電流容量大的IGBT器件，應提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應隨著(zhù)IGBT電流容量的增加而減小。
IGBT的驅動(dòng)電路
IGBT的驅動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：
1. 是實(shí)現控制電路與被驅動(dòng)IGBT柵極的電隔離；
2. 是提供合適的柵極驅動(dòng)脈沖。實(shí)現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。
圖3 由分立元器件構成的IGBT驅動(dòng)電路
圖3為采用光耦合器等分立元器件構成的IGBT驅動(dòng)電路。當輸入控制信號時(shí)，光耦VLC導通，晶體管V2截止，V3導通輸出＋15V驅動(dòng)電壓。當輸入控制信號為零時(shí)，VLC截止，V2、V4導通，輸出－10V電壓。＋15V和－10V電源需靠近驅動(dòng)電路，驅動(dòng)電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發(fā)射極的引線(xiàn)應采用雙絞線(xiàn)，長(cháng)度最好不超過(guò)0.5m。
圖4 由集成電路TLP250構成的驅動(dòng)器
圖4為由集成電路TLP250構成的驅動(dòng)器。TLP250內置光耦的隔離電壓可達2500V，上升和下降時(shí)間均小于0.5μs，輸出電流達0.5A，可直接驅動(dòng)50A/1200V以?xún)鹊腎GBT。外加推挽放大晶體管后，可驅動(dòng)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(guò)流保護的IGBT驅動(dòng)器中較理想的選擇。
IGBT的過(guò)流保護
IGBT的過(guò)流保護電路可分為2類(lèi)：一類(lèi)是低倍數的（1.2～1.5倍）的過(guò)載保護；一類(lèi)是高倍數（可達8～10倍）的短路保護。
對于過(guò)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(huán)節的總電流，當此電流超過(guò)設定值后比較器翻轉，封鎖所有IGBT驅動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過(guò)載電流保護，一旦動(dòng)作后，要通過(guò)復位才能恢復正常工作。
IGBT能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導通飽和壓降有關(guān)，隨著(zhù)飽和導通壓降的增加而延長(cháng)。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于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(shí)可達30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著(zhù)飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著(zhù)電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。
通常采取的保護措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過(guò)流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過(guò)流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動(dòng)保護電路之間加一延時(shí)，不過(guò)故障電流會(huì )在這個(gè)延時(shí)內急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì )導致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。
降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。降柵壓后設有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(cháng)了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt，對器件保護十分有利。若延時(shí)后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號消失，驅動(dòng)電路可自動(dòng)恢復正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。
上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關(guān)系，而在實(shí)際過(guò)程中，降柵壓的速度也是一個(gè)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(shù)就是通過(guò)限制降柵壓的速度來(lái)控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值。圖5給出了實(shí)現慢降柵壓的具體電路。
圖5 實(shí)現慢降柵壓的電路
正常工作時(shí)，因故障檢測二極管VD1的導通，將a點(diǎn)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(tài)。V1通過(guò)驅動(dòng)電阻Rg正常開(kāi)通和關(guān)斷。電容C2為硬開(kāi)關(guān)應用場(chǎng)合提供一很小的延時(shí)，使得V1開(kāi)通時(shí)uce有一定的時(shí)間從高電壓降到通態(tài)壓降，而不使保護電路動(dòng)作。
當電路發(fā)生過(guò)流和短路故障時(shí)，V1上的uce上升，a點(diǎn)電壓隨之上升，到一定值時(shí)，VZ1擊穿，VT1開(kāi)通，b點(diǎn)電壓下降，電容C1通過(guò)電阻R1充電，電容電壓從零開(kāi)始上升，當電容電壓上升到約1.4V時(shí)，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(guò)調節C1的數值，可控制電容的充電速度，進(jìn)而控制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(shí)，VZ2擊穿，uge被鉗位在一固定的數值上，慢降柵壓過(guò)程結束，同時(shí)驅動(dòng)電路通過(guò)光耦輸出過(guò)流信號。如果在延時(shí)過(guò)程中，故障信號消失了，則a點(diǎn)電壓降低，VT1恢復截止，C1通過(guò)R2放電，d點(diǎn)電壓升高，VT2也恢復截止，uge上升，電路恢復正常工作狀態(tài)。
IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓
關(guān)斷IGBT時(shí)，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(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達到數kA/μs。極高的電流下降率將會(huì )在主電路的分布電感上感應出較高的過(guò)電壓，導致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì )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(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開(kāi)通來(lái)說(shuō)，集電極電路的電感有利于抑制續流二極管的反向恢復電流和電容器充放電造成的峰值電流，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(kāi)關(guān)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)改善柵極驅動(dòng)條件來(lái)加以控制。
IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路
為了使IGBT關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖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。如圖6所示。
圖6 充放電型IGBT緩沖吸收電路
RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產(chǎn)生壓降，還會(huì )造成過(guò)沖電壓。RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過(guò)沖電壓。
圖7 三種放電阻止型吸收電路
圖7是三種放電阻止型吸收電路。放電阻止型緩沖電路中吸收電容Cs的放電電壓為電源電壓，每次關(guān)斷前，Cs僅將上次關(guān)斷電壓的過(guò)沖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(guān)斷時(shí)從電源電壓開(kāi)始上升，它的過(guò)電壓吸收能力不如RCD型充放電型。
從吸收過(guò)電壓的能力來(lái)說(shuō)，放電阻止型吸收效果稍差，但能量損耗較小。對緩沖吸收電路的要求是：
1. 盡量減小主電路的布線(xiàn)電感La；
2. 吸收電容應采用低感吸收電容，它的引線(xiàn)應盡量短，最好直接接在IGBT的端子上；
3. 吸收二極管應選用快開(kāi)通和快軟恢復二極管，以免產(chǎn)生開(kāi)通過(guò)電壓和反向恢復引起較大的振蕩過(guò)電壓。
結語(yǔ)
本文對IGBT的驅動(dòng)和保護技術(shù)進(jìn)行了詳細的分析，得出了設計時(shí)應注意幾點(diǎn)事項：
1. IGBT由于有集電極－柵極寄生電容的密勒效應影響，能引起意外的電壓尖峰損害，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面影響。
2. 柵極串聯(lián)電阻和驅動(dòng)電路內阻抗對IGBT的開(kāi)通過(guò)程及驅動(dòng)脈沖的波形都有很大影響。所以設計時(shí)應綜合考慮。
3. 應采用慢降柵壓技術(shù)來(lái)控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值，達到短路保護的目的。
4. 在工作電流較大的情況下，為了減小關(guān)斷過(guò)電壓，應盡量減小主電路的布線(xiàn)電感，吸收電容器應采用低感型。
