IGBT的驅(qū)動和保護技術探析

張亞蘇

（陜西航空電氣有限責任公司47所，陜西 興平 713107）

1 引言

IGB T的開通和關斷是由柵極電壓控制的。柵極施以正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時，從P+區(qū)注入到N一區(qū)的空穴對N一區(qū)進行電導調(diào)制，減小N一區(qū)的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關斷。

2 IGBT的驅(qū)動

2.1 IGBT驅(qū)動的條件

IGBT是復合了功率場效應管和電力晶體管的優(yōu)點而產(chǎn)生的一種新型復合器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點，因此現(xiàn)今應用相當廣泛。但是IGBT良好特性的發(fā)揮往往因其柵極驅(qū)動電路設計上的不合理，制約著IGBT的推廣及應用。因此，設計一種可靠、穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動電路非常關鍵。

IGB的柵極驅(qū)動條件密切地關系到它的靜態(tài)和動態(tài)特性。柵極電路的正偏壓Uge、負偏壓-Ug。和柵極電阻R:的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關、開關損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。其中柵極正電壓Ug。的變化對IGB T的開通特性，負載短路能力和dUge/dt電流有較大的影響，而柵極負偏壓對關斷特性的影響較大。同時，柵極電路設計中也必須注意開通特性，負載短路能力和由dUge/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。

根據(jù)上述分析，對IGBT驅(qū)動電路提出以下要求和條件:1)由于是容性輸出輸出阻抗;因此IGBT對柵極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路。2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證門及控制電壓Ug。有足夠陡峭的前、后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應提供足夠的功率，使IGBT不至退出飽和而損壞。3)柵極電路中的正偏壓應為+12到+15V;負偏壓應為-2V-1OV。4)IGBT驅(qū)動電路中的電阻R:對工作性能有較大的影響，R:較大，有利于抑制IGBT的電流上升率及電壓上升率，但會增加IGBT的開關時間和開關損耗;Rg較小，會引起電流上升率增大，使IGBT誤導通或損壞。R:的具體數(shù)據(jù)與驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及IGBT的容量有關，一般在幾歐到幾十歐，小容量的IGBT其R值較大。5)驅(qū)動電路應具有較強的抗干擾能力及對IGBT的自保護功能。IGBT的控制動及保護電路等應與其高速開關特性相匹配，另外，在未采取適當?shù)姆漓o電措施情況下，IGBT的GE極之間不能為開路。

2.2 驅(qū)動電路分類

驅(qū)動電路分為：分立插腳式兀件的驅(qū)動電路，光耦驅(qū)動電路，厚膜驅(qū)動電路，專用集成塊驅(qū)動電路。

IGBT的驅(qū)動電路必須具備2個功能:一是實現(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。實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。

2.3 IGBT開關損耗與柵極驅(qū)動的關系

對整個開關過程中IGBT的電壓、電流進行積分就可以算出IGBT的開關損耗。因此開關損耗可以由下面的等式給出:

E(switch)=V(t)I(t)dt

由前面的分析可知，增加柵極驅(qū)動電壓、減小柵極電阻可以加快對柵一射極電容充電的速率，從而加快IGBT開通過程，顯著降低開通損耗。以下表格給出了不同柵極電阻、不同驅(qū)動電壓下的開通損耗。

IGBT的保護

在電力電子設備中，應用IGBT時，對IGBT的自身保護措施通常有以下幾種:通過電流信號的檢測來切斷柵極控制信號;利用緩沖電路抑制過電壓，并限制過量得du/dt及利用溫度傳感器檢測殼溫控制主電路跳閘，以實現(xiàn)熱保護。

3 過電流保護

IGB T的過流保護電路可分為2類:一類是低倍數(shù)的(1.2到1.5倍)的過載保護;一類是高倍數(shù)(可達8～10倍)的短路保護。對于過載保護不必快速響應，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當此電流超過設定值后比較器翻轉(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，一旦動作后，要通過復位才能恢復正常工作。

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的導通飽和壓降有關，隨著飽和導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5 μs，飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時間可達15μs到5V時可達30μs以上。存在以上關系是由于隨著飽和導通壓降的降低，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。通常采取的保護措施有軟關斷和降低柵極電壓2種。軟關斷指在過流和短路時，直接關斷IGBT。但是，軟關斷抗干擾能力差，一旦檢測到過流信號就關斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護電路的抗干擾能力，可在故障信號與驅(qū)動保護電路之間加一延時，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，同時還會導致器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動時，器件已經(jīng)壞了。所以，控制好故障保護時間至關重要。

4 過電壓保護

關斷IGB T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，如不采取軟關斷措施，它的臨界電流下降率將達到數(shù)kA/us。極高的電流下降率將會在主電路的分布電感上感應出較高的過電壓，導致IGBT關斷時將會使其電流電壓的運行軌跡超出它的安全工作區(qū)}fu損壞。所以從關斷的角度考慮，希一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十抑制續(xù)流二極管的反向恢復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。

為了使IGBT關斷過電壓能得到有效的抑制并減小關斷損耗，通常都需要給IGBT主電路設置關斷緩沖吸收電路 IGBT的關斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型（如圖）。

充放電型有RC吸收和RCD吸收2種。

下圖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，每次關斷前，CS僅將上次關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IGB T關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。

5 小結(jié)

綜上所述，可以得出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:

5.1 盡量減小主電路的布線電感；

5.2 吸收電容應采用低感吸收電容，一引線應盡量短，最好直接接在IGBT的端子上；

5.3 吸收二極管應選用快開通和快軟恢復二極管，以免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復引起較大的振蕩過電壓。

[1]鄭建勇等.基于新型混合式斷路器的IGBT緩沖電路研究，電力自動化設備，2006年

[2]趙春林，電子設備的熱設計，電子機械工程，2002年