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(duì)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)特性、柵極串聯(lián)電阻及其驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(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(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(jí)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(dòng)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(dòng)態(tài)要求,這使得它的驅(qū)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(fù)合器件,存在著過流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題.在過流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓,過高的電流變化率會(huì)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(dòng)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(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)信號(hào),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(dòng)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(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)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(shí)刻,柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始上升,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(dá)到IGBT的柵極門檻值,集電極電流開始上升.從此時(shí)開始有2個(gè)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(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(zhǎng).
其次,另一個(gè)影響柵極驅(qū)動(dòng)電路電壓的因素是柵極-集電極電容Cgc的密勒效應(yīng).t2時(shí)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(dòng)電路中增加了Cgc的容性電流,使得在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗上的壓降增加,也削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓.顯然,柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)電壓上升的效應(yīng),表現(xiàn)為對(duì)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(dòng)電路的內(nèi)阻盡量小,以獲得較快的開通速度.
IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖2所示.t0時(shí)刻?hào)艠O驅(qū)動(dòng)電壓開始下降,在t1時(shí)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(shí),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(shí)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(shí),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(zhǎng)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(dòng)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(shí) 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(shí)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(duì)柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響
柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對(duì)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(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(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(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì)IGBT的開通過程影響較大,而對(duì)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(huì)造成di/dt過大,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.電阻值過小時(shí)會(huì)造成脈沖振蕩,過大時(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.
4 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0.5m.
圖 3 由 分 立 元 器 件 構(gòu) 成 的 IGBT驅(qū) 動(dòng) 電 路
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,是不帶過流保護(hù)的IGBT驅(qū)動(dòng)器中較理想的選擇.
圖4 由 集 成 電 路TLP250構(gòu) 成 的 驅(qū) 動(dòng) 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(duì)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(cè)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(dòng)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(dòng)作后,要通過復(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(shí),因故障檢測(cè)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(dòng)電阻Rg正常開通和關(guān)斷.電容C2為硬開關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合提供一很小的延時(shí),使得V1開通時(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(hù)電路動(dòng)作.
當(dāng)電路發(fā)生過流和短路故障時(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(shí),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(shí),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(shí)驅(qū)動(dòng)電路通過光耦輸出過流信號(hào).如果在延時(shí)過程中,故障信號(hào)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(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(dá)到數(shù)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(yīng)出較高的過電壓,導(dǎo)致IGBT關(guān)斷時(shí)將會(huì)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(duì)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(dòng)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(huì)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(shí)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(duì)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(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析,得出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)事項(xiàng):
——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(jì)時(shí)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(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì)IGBT的開通過程及驅(qū)動(dòng)脈沖的波形都有很大影響.所以設(shè)計(jì)時(shí)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(jiǎn)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).
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