IGBT模塊驅(qū)動及保護(hù)技術(shù) [轉(zhuǎn)貼]
蔣懷剛,李喬,何志偉   (華南理工大學(xué)雅達(dá)電源實(shí)驗(yàn)室,廣東  廣州  510641)

摘要:對IGBT柵極驅(qū)動特性、柵極串聯(lián)電阻及其驅(qū)動電路進(jìn)行了探討.提出了慢降柵壓過流保護(hù)和過電壓吸收的有效方法.

關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;絕緣柵雙極晶體管;驅(qū)動保護(hù)

1  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(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(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I(xiàn)GBT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(hù)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(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離.由于此氧化膜很薄,其擊穿電壓一般只能達(dá)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(shí)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(fù)載電路(見圖1)得到驗(yàn)證.



(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

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(dá)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(dá)到最大值,進(jìn)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(dá)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(dá)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(yùn)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.

    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(dá)到剛能維持集電極正常工作電流的水平,IGBT進(jìn)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.


圖 2  IGBT關(guān) 斷 時 的 波 形

    在實(shí)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(fù)偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力,通常取5~10V.

3  柵極串聯(lián)電阻對柵極驅(qū)動波形的影響

    柵極驅(qū)動電壓的上升、下降速率對IGBT開通關(guān)斷過程有著較大的影響.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的開通特性主要決定于它的MOSFET部分,所以IGBT的開通受柵極驅(qū)動波形的影響較大.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)動對IGBT的關(guān)斷也有影響.

    在高頻應(yīng)用時,驅(qū)動電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些,以提高IGBT開關(guān)速率降低損耗.

    在正常狀態(tài)下IGBT開通越快,損耗越小.但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流,則開通越快,IGBT承受的峰值電流越大,越容易導(dǎo)致IGBT損害.此時應(yīng)降低柵極驅(qū)動電壓的上升速率,即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值,抑制該電流的峰值.其代價是較大的開通損耗.利用此技術(shù),開通過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)動電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程影響較大,而對關(guān)斷過程影響小一些,串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率,減小關(guān)斷損耗,但過小會造成di/dt過大,產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰.因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設(shè)計要求進(jìn)行全面綜合的考慮.

    柵極電阻對驅(qū)動脈沖的波形也有影響.電阻值過小時會造成脈沖振蕩,過大時脈沖波形的前后沿會發(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)動脈沖前后沿速率,對于電流容量大的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.

4  IGBT的驅(qū)動電路

    IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能:一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動IGBT柵極的電隔離;二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖.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為采用光耦合器等分立元器件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動電路.當(dāng)輸入控制信號時,光耦VLC導(dǎo)通,晶體管V2截止,V3導(dǎo)通輸出+15V驅(qū)動電壓.當(dāng)輸入控制信號為零時,VLC截止,V2、V4導(dǎo)通,輸出-10V電壓.+15V和-10V電源需靠近驅(qū)動電路,驅(qū)動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,長度最好不超過0.5m.


圖 3  由 分 立 元 器 件 構(gòu) 成 的 IGBT驅(qū) 動 電 路

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


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

5  IGBT的過流保護(hù)

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

    對于過載保護(hù)不必快速響應(yīng),可采用集中式保護(hù),即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流,當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn),封鎖所有IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖,使輸出電流降為零.這種過載電流保護(hù),一旦動作后,要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作.

    IGBT能承受很短時間的短路電流,能承受短路電流的時間與該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.如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5μs,而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達(dá)15μs,4~5V時可達(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,短路電流同時增大,短路時的功耗隨著電流的平方加大,造成承受短路的時間迅速減小.

    通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種.軟關(guān)斷指在過流和短路時,直接關(guān)斷IGBT.但是,軟關(guān)斷抗騷擾能力差,一旦檢測到過流信號就關(guān)斷,很容易發(fā)生誤動作.為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力,可在故障信號與啟動保護(hù)電路之間加一延時,不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升,大大增加了功率損耗,同時還會導(dǎo)致器件的di/dt增大.所以往往是保護(hù)電路啟動了,器件仍然壞了.

    降柵壓旨在檢測到器件過流時,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,故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在一較小值,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(guān)斷時的di/dt,對器件保護(hù)十分有利.若延時后故障信號依然存在,則關(guān)斷器件,若故障信號消失,驅(qū)動電路可自動恢復(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)際過程中,降柵壓的速度也是一個重要因素,它直接決定了故障電流下降的di/dt.慢降柵壓技術(shù)就是通過限制降柵壓的速度來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.



圖5  實(shí)現(xiàn)慢降柵壓的電路

    正常工作時,因故障檢測二極管VD1的導(dǎo)通,將a點(diǎn)的電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管VZ1的擊穿電壓以下,晶體管VT1始終保持截止?fàn)顟B(tài).V1通過驅(qū)動電阻Rg正常開通和關(guān)斷.電容C2為硬開關(guān)應(yīng)用場合提供一很小的延時,使得V1開通時uce有一定的時間從高電壓降到通態(tài)壓降,而不使保護(hù)電路動作.

    當(dāng)電路發(fā)生過流和短路故障時,V1上的uce上升,a點(diǎn)電壓隨之上升,到一定值時,VZ1擊穿,VT1開通,b點(diǎn)電壓下降,電容C1通過電阻R1充電,電容電壓從零開始上升,當(dāng)電容電壓上升到約1.4V時,晶體管VT2開通,柵極電壓uge隨電容電壓的上升而下降,通過調(diào)節(jié)C1的數(shù)值,可控制電容的充電速度,進(jìn)而控制uge的下降速度;當(dāng)電容電壓上升到穩(wěn)壓二極管VZ2的擊穿電壓時,VZ2擊穿,uge被鉗位在一固定的數(shù)值上,慢降柵壓過程結(jié)束,同時驅(qū)動電路通過光耦輸出過流信號.如果在延時過程中,故障信號消失了,則a點(diǎn)電壓降低,VT1恢復(fù)截止,C1通過R2放電,d點(diǎn)電壓升高,VT2也恢復(fù)截止,uge上升,電路恢復(fù)正常工作狀態(tài).

6  IGBT開關(guān)過程中的過電壓

  關(guān)斷IGBT時,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(dá)到數(shù)kA/μs.極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓,導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時將會使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)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的開通來說,集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流,能減小開通損耗,承受較高的開通電流上升率.一般情況下IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感,其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動條件來加以控制.

7  IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路

    為了使IGBT關(guān)斷過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(shè)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.

(a)RC型                                     (b)RCD型
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,還會造成過沖電壓.RCD電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流,從而克服了過沖電壓.

    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)斷時從電源電壓開始上升,它的過電壓吸收能力不如RCD型充放電型.



(a)LC型     (b)RLCD型       (c)RLCD型
圖7  三 種 放 電 阻 止 型 吸 收 電 路



    從吸收過電壓的能力來說,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電感La;

    2)吸收電容應(yīng)采用低感吸收電容,它的引線應(yīng)盡量短,最好直接接在IGBT的端子上;

    3)吸收二極管應(yīng)選用快開通和快軟恢復(fù)二極管,以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過電壓.

8  結(jié)語

    本文對IGBT的驅(qū)動和保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析,得出了設(shè)計時應(yīng)注意幾點(diǎn)事項:

    ——IGBT由于有集電極-柵極寄生電容的密勒效應(yīng)影響,能引起意外的電壓尖峰損害,所以設(shè)計時應(yīng)讓柵極電路的阻抗足夠低以盡量消除其負(fù)面影響.

    ——柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程及驅(qū)動脈沖的波形都有很大影響.所以設(shè)計時應(yīng)綜合考慮.

    ——應(yīng)采用慢降柵壓技術(shù)來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(dá)到短路保護(hù)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(yīng)盡量減小主電路的布線電感,吸收電容器應(yīng)采用低感型.

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作者簡介

    蔣懷剛(1975-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槟孀冸娫醇半娏﹄娮蛹夹g(shù).

    李喬(1977-),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娫醇半娏﹄娮蛹夹g(shù)

    何志偉(1954-),男,教授,主要研究方向?yàn)楦哳l開關(guān)電源及電力電子技術(shù).