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(guò)流保護(hù)和過(guò)電壓吸收的有效方法。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；絕緣柵雙極晶體管；驅(qū)動(dòng)保護(hù)

Technology of Drive ＆ Protection Circuit for IGBT Module

JIANG Huai-gang, LI Qiao, HE Zhi-wei 

Abstract:The gate drive characteristic,the gate series resistance and the drive circuit of IGBT are discussed,and the technique of overcurrent protection by reducing gate voltage slowly is presented.It is also given that effective protective method of overvoltage. 

Keywords:Switching power supply; IGBT; Driving protection 

中圖分類(lèi)號(hào)：TN386  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：0219－2713(2003)04－0132－05

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(guò)，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(wàn)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(kāi)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(guò)流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)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(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(guò)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(jiàn)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(méi)有超過(guò)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(lái)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C_ge和C_gc，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感L_e，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(kāi)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(jiàn)圖1）得到驗(yàn)證。

(a)等 效 電 路                                                     (b)開(kāi) 通 波 形

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(qū)動(dòng)電壓開(kāi)始上升，此時(shí)影響柵極電壓u_ge上升斜率的主要因素只有R_g和C_ge，柵極電壓上升較快。在t₁時(shí)刻達(dá)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?qū)е?i>u_ge波形偏離原有的軌跡。

    首先，發(fā)射極電路中的分布電感L_e上的感應(yīng)電壓隨著集電極電流i_c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u_ge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C_gc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C_gc開(kāi)始放電，在驅(qū)動(dòng)電路中增加了C_gc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，u_ce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，i_c達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓u_ge的因素消失后，u_ge以較快的上升率達(dá)到最大值。

    由圖1波形可看出，由于L_e和C_gc的存在，在IGBT的實(shí)際運(yùn)行中u_ge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(kāi)通過(guò)程的阻礙。為了減緩此效應(yīng)，應(yīng)使IGBT模塊的L_e和C_gc及柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)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?hào)艠O驅(qū)動(dòng)電壓開(kāi)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)，u_ce開(kāi)始上升，此時(shí)，柵極－集電極間電容C_gc的密勒效應(yīng)支配著u_ce的上升，因C_gc耦合充電作用，u_ge在t₁－t₂期間基本不變，在t₂時(shí)刻u_ge和i_c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)，u_ge及i_c均降為零，關(guān)斷結(jié)束。

    由圖2可看出，由于電容C_gc的存在，使得IGBT的關(guān)斷過(guò)程也延長(zhǎng)了許多。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇C_gc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C_gc的充電電流增加，加快了u_ce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u_ge幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降：u_ge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u_ge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(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(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C_ge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。 [!--empirenews.page--]

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(guò)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(guò)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(guò)流保護(hù)

    IGBT的過(guò)流保護(hù)電路可分為2類(lèi)：一類(lèi)是低倍數(shù)的（1.2～1.5倍）的過(guò)載保護(hù)；一類(lèi)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u_ce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  [!--empirenews.page--]

    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(guò)驅(qū)動(dòng)電阻R_g正常開(kāi)通和關(guān)斷。電容C₂為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合提供一很小的延時(shí)，使得V₁開(kāi)通時(shí)u_ce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(guò)流和短路故障時(shí)，V₁上的u_ce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(dāng)電容電壓上升到約1.4V時(shí)，晶體管VT₂開(kāi)通，柵極電壓u_ge隨電容電壓的上升而下降，通過(guò)調(diào)節(jié)C₁的數(shù)值，可控制電容的充電速度，進(jìn)而控制u_ge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，u_ge被鉗位在一固定的數(shù)值上，慢降柵壓過(guò)程結(jié)束，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光耦輸出過(guò)流信號(hào)。如果在延時(shí)過(guò)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(guò)R₂放電，d點(diǎn)電壓升高，VT₂也恢復(fù)截止，u_ge上升，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

6  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(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(guò)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(kāi)通來(lái)說(shuō)，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(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(qū)動(dòng)條件來(lái)加以控制。

7  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(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(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C_s的放電電壓為電源電壓，每次關(guān)斷前，C_s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。

(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(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(duì)緩沖吸收電路的要求是：

    1）盡量減小主電路的布線電感L_a；

    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(kāi)通和快軟恢復(fù)二極管，以免產(chǎn)生開(kāi)通過(guò)電壓和反向恢復(fù)引起較大的振蕩過(guò)電壓。

8  結(jié)語(yǔ)

    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(kāi)通過(guò)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(lái)控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和u_ce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(guò)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。