詳解IGBT模塊驅(qū)動以及相應(yīng)保護技術(shù)

本文將對IGBT柵極驅(qū)動特性、柵極串聯(lián)電阻及其驅(qū)動電路進行了探討。提出了慢降柵壓過流保護和過電壓吸收的有效方法。

引言

IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET易驅(qū)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(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)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，基本上不消耗功率。但IGBT的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容(幾千至上萬pF)，在驅(qū)動脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)A的充放電電流，才能滿足開通和關(guān)斷的動態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動電路也必須輸出一定的峰值電流。

IGBT作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過流時可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會引起過電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好IGBT的驅(qū)動和保護特性是十分必要的。

柵極特性

IGBT 的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)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失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)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-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(qū)動信號，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(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-集電極間存在著分布電容Cge和Cgc，以及發(fā)射極驅(qū)動電路中存在有分布電感Le，這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的實際驅(qū)動波形與理想驅(qū)動波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負載電路(見圖1)得到驗證。

在t0時刻，柵極驅(qū)動電壓開始上升，此時影響柵極電壓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?qū)е聈ge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(yīng)電壓隨著集電極電流ic的增加而加大，從而削弱了柵極驅(qū)動電壓，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。

其次，另一個影響柵極驅(qū)動電路電壓的因素是柵極-集電極電容Cgc的密勒效應(yīng)。t2 時刻，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(qū)動電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅(qū)動電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動電壓。顯然，柵極驅(qū)動電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)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時刻后，ic達到穩(wěn)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。

(a)等 效 電 路 (b)開 通 波 形

圖1 IGBT開關(guān)等效電路和開通波形

由圖1波形可看出，由于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，這種阻礙驅(qū)動電壓上升的效應(yīng)，表現(xiàn)為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減緩此效應(yīng)，應(yīng)使IGBT模塊的Le和Cgc及柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。

圖 2IGBT關(guān) 斷 時 的 波 形

IGBT 關(guān)斷時的波形如圖2所示。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(qū)，uce開始上升，此時，柵極-集電極間電容Cgc的密勒效應(yīng)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(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(guān)斷結(jié)束。

由圖2可看出，由于電容Cgc的存在，使得IGBT的關(guān)斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇Cgc較小的IGBT器件;另一方面應(yīng)減小驅(qū)動電路的內(nèi)阻抗，使流入Cgc的充電電流增加，加快了uce的上升速度。

在實際應(yīng)用中，IGBT的uge幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降：uge增加，飽和導(dǎo)通電壓將減小。由于飽和導(dǎo)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，若過高，容易造成柵極擊穿。一般取15V。IGBT關(guān)斷時給其柵極-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