詳解IGBT模塊驅(qū)動(dòng)以及相應(yīng)保護(hù)技術(shù)

柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對(duì)IGBT開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程有著較大的影響。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(qū)動(dòng)波形的影響較大。IGBT的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受MOSFET的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動(dòng)對(duì) IGBT的關(guān)斷也有影響。

在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)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(xù)流二極管的反向恢復(fù)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(dǎo)致 IGBT損害。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，即增加?xùn)艠O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(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì)IGBT的開(kāi)通過(guò)程影響較大，而對(duì)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(duì)串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面綜合的考慮。

柵極電阻對(duì)驅(qū)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隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對(duì)于電流容量大的IGBT器件，應(yīng)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(yīng)隨著 IGBT電流容量的增加而減小。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)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(gòu) 成 的 IGBT驅(qū) 動(dòng) 電 路

圖3為采用光耦合器等分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸入控制信號(hào)時(shí)，光耦 VLC導(dǎo)通，晶體管V2截止，V3導(dǎo)通輸出+15V驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)輸入控制信號(hào)為零時(shí)，VLC截止，V2、V4導(dǎo)通，輸出-10V電壓。+15V和-10V 電源需靠近驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路輸出端及電源地端至IGBT柵極和發(fā)射極的引線應(yīng)采用雙絞線，長(zhǎng)度最好不超過(guò)0.5m。

圖4由 集 成 電 路TLP250構(gòu) 成 的 驅(qū) 動(dòng) 器

圖4為由集成電路 TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器。TLP250內(nèi)置光耦的隔離電壓可達(dá)2500V，上升和下降時(shí)間均小于0.5μs，輸出電流達(dá)0.5A，可直接驅(qū)動(dòng) 50A/1200V以內(nèi)的IGBT。外加推挽放大晶體管后，可驅(qū)動(dòng)電流容量更大的IGBT。TLP250構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器體積小，價(jià)格便宜，是不帶過(guò)流保護(hù)的 IGBT驅(qū)動(dòng)器中較理想的選擇。IGBT的過(guò)流保護(hù)

IGBT的過(guò)流保護(hù)電路可分為2類：一類是低倍數(shù)的(1.2~1.5倍)的過(guò)載保護(hù)；一類是高倍數(shù)(可達(dá)8~10倍)的短路保護(hù)。

對(duì)于過(guò)載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過(guò)設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)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(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過(guò)復(fù)位才能恢復(fù)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(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。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(dá) 15μs，4~5V時(shí)可達(dá)30μs以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)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(hù)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(cè)到過(guò)流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)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(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt增大。所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。

降柵壓旨在檢測(cè)到器件過(guò)流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長(zhǎng)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(duì)器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)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(xiàn)慢降柵壓的具體電路。