大功率IGBT柵極驅(qū)動電路的研究

王瑞

(寶雞文理學(xué)院 物理與信息技術(shù)系，陜西 寶雞 721013)

0 引言

絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor－IGBT)問世，它綜合了功率MOSFET和雙極晶體管(BJT)的優(yōu)點:輸入阻抗高、開關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低(甚至接近GTR的飽和壓降)、耐壓高、電流大［1］。在通態(tài)壓降和開關(guān)時間這兩個衡量功率半導(dǎo)體器件性能的重要參數(shù)方面有了明顯的改善。

目前IGBT已在中小功率及以上的電力電子變流系統(tǒng)(如變頻器、UPS電源、高頻焊機(jī)等)中取代了MOSFET及電力晶體管，從而成為功率開關(guān)器件市場中的重要一員。然而，IGBT和其它電力電子器件一樣，其應(yīng)用還是依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，如何有效地驅(qū)動并保護(hù)IGBT則是電路設(shè)計的難點和重點，是整個裝置運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2－3］。特別是IGBT的可靠運行很大程度上依賴于其柵極驅(qū)動電路，所以，決定IGBT功率轉(zhuǎn)換性能的重要因素之一就是柵極驅(qū)動電路。

1 IGBT內(nèi)部構(gòu)造及特性分析

IGBT的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其縱向結(jié)構(gòu)為PNPN型結(jié)構(gòu)，類似于MOS晶閘管，也相當(dāng)于一個VDMOS與PN結(jié)二極管串聯(lián);橫向結(jié)構(gòu)與VDMOS結(jié)構(gòu)沒有區(qū)別，電流也是垂直方向流動的。IGBT的等效電路如圖2所示，這是一個雙極性晶體管與MOSFET模型結(jié)構(gòu)，圖1中的電阻R是基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻，圖示器件為N溝道IGBT，MOSFET為N溝道型，雙極性晶體管為PNP型。IGBT是一種電壓型控制器件，其開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)給IGBT的柵極加正向電壓并且大于開啟電壓時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的MOSFET內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，且給PNP晶體管提供基極電流，使PNP晶體管導(dǎo)通，從而使IGBT導(dǎo)通。由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使得電阻R減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降;反之，加反向柵極電壓時消除導(dǎo)電溝道，流過反向基極電流，MOS管夾斷，即PNP管基極開路，使IGBT關(guān)斷［4］。

圖1 IGBT的基本結(jié)構(gòu)

IGBT可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。

2 IGBT的柵極驅(qū)動電路

圖2的IGBT的等效電路是沒有考慮柵極電阻及極間電容的。針對柵極驅(qū)動電路就應(yīng)該考慮這些因素，其等效電路如圖3所示。

圖2 IGBT的等效電路

圖3中，Rg是柵極電阻，Vg是柵極電壓，Ig是柵極電流，Cgs是IGBT中MOSFET部分門極和源極之間的電容，Cgd是IGBT中MOSFET部分門極和漏極之間的電容，Cds是 IGBT 中 MOSFET部分漏極和源極之間的電容。

圖3 IGBT的等效電路(帶有柵極電阻及極間電容)

驅(qū)動使其正常工作就是IGBT驅(qū)動電路的作用，它同時還有保護(hù)IGBT的作用。對于整個系統(tǒng)來說，IGBT驅(qū)動器是至關(guān)重要的，系統(tǒng)可靠與否主要是看驅(qū)動器選擇的好壞，若選擇的IGBT驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導(dǎo)致IGBT器件和驅(qū)動器損壞。IGBT的特性、工作環(huán)境及條件都影響著IGBT柵極驅(qū)動。IGBT所需要的驅(qū)動電流與驅(qū)動功率非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能模塊相接而不須加任何附加接口電路。在IGBT驅(qū)動電路中主要研究IGBT的飽和導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。影響IGBT導(dǎo)通和截止兩個狀態(tài)的主要因素有柵極電阻、柵極電壓(包括開通電壓和關(guān)斷電壓)及柵極電容等［5］。

2.1 柵極電阻R G

IGBT的柵極電阻對IGBT的開關(guān)時間、開關(guān)損耗、d v/dt(電壓變化率)、d i/dt(電流變化率)、RBSOA(反偏安全區(qū))、SCSOA(短路安全區(qū))、EMI(電磁干擾)、繼流二極管的開關(guān)特性等等都有影響。柵極電阻RG由可以通過限制導(dǎo)通與關(guān)斷期間柵極電流脈沖的幅值需要多長時間來決定。對于柵極電阻的估算可以通過以下式子進(jìn)行。

柵極峰值電流:

最小柵極電阻:

其中RG是柵極電阻，VG(on)是導(dǎo)通柵極電阻，VG(off)是關(guān)斷柵極電阻，RG(int)是IGBT模塊內(nèi)部柵極電阻。

一般情況下，對于額定電流大的IGBT應(yīng)選擇較小的柵極電阻。反之，應(yīng)選擇較大的柵極電阻。當(dāng)然，在實際應(yīng)用中，應(yīng)該盡量避免柵極電阻可能由于電阻的峰值功率能力不夠而發(fā)生過熱或燒毀現(xiàn)象。

2.2 柵極電壓VGE

IGBT正柵射極電壓越大，則IGBT導(dǎo)通電阻越低，IGBT損耗越小。如果VGE太小，那么IGBT的工作點在線性放大區(qū)內(nèi)，IGBT會因過熱而損壞。如果VGE太大，則IGBT會出現(xiàn)過電流，這樣往往會使IGBT失效損壞。因此，IGBT驅(qū)動電壓范圍一般為12 V.

IGBT關(guān)斷時，由于IGBT會承受很大的d v/dt且其在關(guān)斷浪涌電流的沖擊下它的柵極可能會引發(fā)誤開通。考慮到這一點，通常會采用負(fù)柵射極電壓VGE，這樣就會提高IGBT關(guān)斷時的抗干擾能力。負(fù)柵射極電壓VGE一般為－10 V。

由于IGBT的柵極與射極之間是通過一層氧化膜來進(jìn)行電氣隔離的，而且此氧化膜很薄，所以其擊穿電壓比較低，一般只能達(dá)20～30 V。柵極擊穿一般就會導(dǎo)致IBGT失效，因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量保證IGBT的柵極驅(qū)動電壓不超過柵極最大額定電壓。

2.3 柵極電容C GS

IGBT的柵極和源極之間為絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過。因此低頻靜態(tài)驅(qū)動功率接近于零。IGBT柵源極之間其實構(gòu)成了一個柵極電容CGS。因此，在高頻率開通與關(guān)斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率，所以設(shè)計驅(qū)動電路時，需要有一條低阻抗的放電回路。

在設(shè)計IGBT柵極驅(qū)動電路的過程中還應(yīng)充分考慮負(fù)載短路能力、開通特性、d v/dt可能引起的誤觸發(fā)等，所以設(shè)計的IGBT的柵極驅(qū)動電路最好能自身帶有對IGBT器件的保護(hù)功能，來增強(qiáng)抗干擾能力;柵極連線盡可能使用絞線來傳送信號，這樣就會減小寄生電感;若在高壓電力電子設(shè)備中，IGBT驅(qū)動電路與設(shè)備控制電路在點位上要嚴(yán)格進(jìn)行隔離。

圖4 IGBT電流估算圖

在使用時，因IGBT屬于高速開關(guān)，當(dāng)其關(guān)斷時，會出現(xiàn)急劇變化的電流，在其感生電感上產(chǎn)生高壓;存在的電極電容，也會引發(fā)高電壓;還有應(yīng)用電路的異常仍會引發(fā)高電壓;FWD反向恢復(fù)時也會產(chǎn)生高電壓等，這些過電壓現(xiàn)象都要進(jìn)行抑制，通常采用的動態(tài)柵極控制、有源鉗位、無源緩沖電路等方法進(jìn)行過電壓抑制。

2.4 驅(qū)動功率、柵極電流的估算

IGBT驅(qū)動器的驅(qū)動功率為:

其中，F(xiàn)sw是開關(guān)頻率，QG是柵極充電電量。

如圖4所示，平均柵極電流IG=IGC+IGC=QGfSW

同時，注意IGBT驅(qū)動器提供的柵極電流與驅(qū)動器功率應(yīng)該比估算的最大平均輸出電流要大，才能夠滿足實際應(yīng)用。并且還要考慮實際中的峰值問題。

3 實用的柵極驅(qū)動電路

IGBT的驅(qū)動與晶體管的驅(qū)動是完全不一樣的:晶體管是電流控制器件，需要合適的電流信號來驅(qū)動;而IGBT是電壓控制器件，需要一定的電壓信號來驅(qū)動。IGBT驅(qū)動電路可以分為驅(qū)動信號與功率器件不需要電氣隔離的直接驅(qū)動，以及驅(qū)動器輸入端與輸出端需要電氣隔離的隔離驅(qū)動。隔離驅(qū)動可以分為光耦合器隔離驅(qū)動與變壓器隔離驅(qū)動兩種［6］。對于應(yīng)用在高壓場合的大功率IGBT電路來說，這就要求控制電路和IGBT主電路保持隔離。光耦隔離方式由于隔離電壓相當(dāng)?shù)?，而且還存在傳輸延遲、老化和可靠性等方面的問題。而采用脈沖變壓器隔離方式可以得到相對較高的隔離電壓，而且變壓器的可靠性高，傳輸延遲小，可以實現(xiàn)較高開關(guān)頻率，因此在高壓大功率IGBT驅(qū)動器中多采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動電路。

圖5 脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動電路

圖5是IGBT的脈沖變壓器隔離柵極驅(qū)動電路。脈沖源V將脈沖信號經(jīng)晶體管V1放大后送到脈沖變壓器TX1原邊，由脈沖變壓器耦合，并經(jīng)D3、D4后來驅(qū)動IGBT.當(dāng)脈沖源信號為高電平開通信號時，V1導(dǎo)通，變壓器原邊持續(xù)傳輸15 V開通信號;當(dāng)脈沖源信號為低電平關(guān)斷信號時，V1關(guān)斷，變壓器原邊感應(yīng)出反向電壓，并通過D1短暫繼流后，變壓器原邊電壓保持0 V。其中R3用于限制柵極驅(qū)動電流;D1繼流二極管，用于防止V1中可能出現(xiàn)的過電壓;D2作為加速二極管，來提高開關(guān)速度;D3、D4起到穩(wěn)壓限幅作用。

實際應(yīng)用中，瑞士CONCEPT公司的2/6SD系列、美國Unitrode公司UC3726/3727芯片對和德國SEMIKRON公司的SKHI2系列等都屬于變壓器隔離式驅(qū)動器。下面以美國Unitrode公司UC3726/3727芯片對為例，來討論變壓器隔離驅(qū)動的實際應(yīng)用。圖6所示UC3726/3727驅(qū)動IGBT典型應(yīng)用電路。

圖6 UC3726/3727驅(qū)動IGBT典型應(yīng)用電路

UC3726/3727兩芯片可組合使用，UC3726可以很方便地和數(shù)字電路接口;UC3727可單獨使用，其有單獨使用的使能端，同時UC3727還具有高電流、速度快、可設(shè)定的軟啟動、欠壓封鎖及過流、過熱保護(hù)等功能，它的外圍電路簡單，特別適合高壓的高端驅(qū)動，所以說是一種經(jīng)濟(jì)實用的IGBT驅(qū)動。

4 結(jié)束語

文中所述的IGBT柵極驅(qū)動電路的影響因素在實踐中很有應(yīng)用價值，使用時可根據(jù)器件容量或功能要求來確定其影響因素的具體值。高壓場合的大功率IGBT電路采用的脈沖變壓器隔離驅(qū)動可以得到相對較高的隔離電壓，而且變壓器的可靠性高，傳輸延遲小，可以實現(xiàn)較高開關(guān)頻率，其相應(yīng)的UC3726/3727是一種經(jīng)濟(jì)實用的IGBT驅(qū)動。

［1］ 蔣超，陳海民.電力電子器件概況及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.世界電子元器件，2004，10(4):74 －76.

［2］ 李宏.MOSFET、IGBT驅(qū)動集成電路及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2013:184－190.

［3］ 和巍巍，汪之涵，傅俊寅，等.基于2QD15A17K－C驅(qū)動模塊的IGBT驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計［J］.電力電子，2012，10(5):31－34.

［4］ 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率損耗的仿真研究［D］.西安:西安科技大學(xué)電控學(xué)院，2007.

［5］ 陽鴻鈞，許小菊.最新常用IGBT速查［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:25－26.

［6］ 郭喜峰，王大志，劉震，等.有源濾波器IGBT驅(qū)動模塊應(yīng)用與性能分析［J］.電力電子技術(shù)，2012，46(9):85－87.