一種基于數(shù)字可編程芯片的大功率IGBT驅(qū)動電路

孫浩++楊媛++李春雷

摘要：本文首先介紹了門極電阻對IGBT開關(guān)狀態(tài)的影響。并提出了一種基于數(shù)字可編程芯片的大功率IGBT驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路可自主的判斷出IGBT所處的開關(guān)過程中的各個階段，根據(jù)對應(yīng)的不同開關(guān)階段，動態(tài)的選擇對應(yīng)的柵極驅(qū)動電阻，實(shí)現(xiàn)對IGBT開關(guān)過程的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動電路可以優(yōu)化IGBT的開關(guān)特性，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：IGBT 數(shù)字可編程 驅(qū)動電路

中圖分類號：TM383.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0099-01

IGBT是由功率MOSFET和BJT復(fù)合而成的一種半導(dǎo)體功率器件，它集二者的優(yōu)點(diǎn)于一身，在軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源等產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。IGBT作為功率開關(guān)器件，開關(guān)損耗過高容易使器件結(jié)溫升高，而造成器件的損傷[1-2]。另一方面，開關(guān)過程中過高的反向恢復(fù)電流尖峰會造成反并聯(lián)二極管的損壞，過高的關(guān)斷過壓尖峰容易造成IGBT的擊穿損壞。

1 電阻對IGBT開關(guān)狀態(tài)的影響

IGBT在驅(qū)動時，其開通和關(guān)斷是通過柵極電阻給柵極電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。柵極-發(fā)射極間回路中的電感和電容都屬于無功元件，若無柵極驅(qū)動電阻，則驅(qū)動過程中的大部分功率都會直接消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出管上，這會造成輸出管結(jié)溫大幅度上升，影響IGBT的正常工作，嚴(yán)重時甚至燒毀IGBT。

在柵極驅(qū)動電壓不變的情況下，驅(qū)動電阻的大小直接影響著IGBT開關(guān)過程中的開通關(guān)斷時間、開通關(guān)斷損耗、驅(qū)動器EMI、集電極電壓變化速率dVCE/dt、集電極電流變化速率dIC/dt和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流等[3]。若是采用阻值較小的柵極驅(qū)動電阻，會加快IGBT的開通和關(guān)斷速率，減小開關(guān)損耗。但是，這樣會增大門極電阻上的損耗，增大關(guān)斷時的電流變化率dIC/dt，從而在雜散電感上感應(yīng)出較高的關(guān)斷電壓尖峰，可能造成擎住效應(yīng)的發(fā)生，一旦電壓尖峰超過了IGBT的額定電壓，會影響IGBT的安全工作；同時采用阻值小的電阻會導(dǎo)致門極驅(qū)動導(dǎo)線的寄生電感和門極一發(fā)射極電容CGE產(chǎn)生振蕩[5]。

2 IGBT驅(qū)動電路

數(shù)字可編程IGBT驅(qū)動電路可以在IGBT的開關(guān)過程中，通過VCE檢測電路和VGe檢測電路對IGBT開關(guān)過程進(jìn)行在線監(jiān)測，將檢測信號送入數(shù)字芯片處理，數(shù)字可編程芯片通過反饋的VCE和VGe電壓信號判斷出IGBT的開關(guān)進(jìn)度，選擇對應(yīng)的柵極驅(qū)動電阻來優(yōu)化IGBT的開關(guān)過程。其具體的控制策略如下所示：

動態(tài)開通過程：外部驅(qū)動信號為高電平，在IGBT的柵極和發(fā)射極之間施加+15V的開通電壓，①從施加開通電壓到IGBT柵極電壓VGe上升至IGBT的開通閾值Vth前，IGBT處于正向阻斷區(qū)（截止區(qū)），集電極電流IC幾乎為0，該階段使用一個阻值較小的驅(qū)動電阻，以減小IGBT的開通延時。②柵極電壓VGe上升至IGBT的開通閾值Vth時，IC從零開始增大，此過程中的電流變化速率與柵極驅(qū)動電阻的大小有關(guān)，而二極管反向恢復(fù)電流大小與回路中電流變化率dIC/dt緊密相關(guān)，因此此過程選用阻值較大的柵極電阻可降低dI/dt，從而可減小電流尖峰；③集電極電壓VCE開始下降，柵極電壓VGe升至其米勒平臺值Vth，此過程中可采用較小的電阻來加快集電極電壓的下降速率，從而縮短開通時間；④當(dāng)VCE的值接近門極電壓VGe時，米勒電容迅速增大使得集電極電壓的下降速率dVCE/dt快速降低，此過程可采用更小的電阻來使IGBT快速地完全進(jìn)入飽和區(qū)，減小開通時間，減小開通損耗。

動態(tài)關(guān)斷過程：外部驅(qū)動信號為低電平，在IGBT的柵極和發(fā)射極之間施加-15V的關(guān)斷電壓，①施加關(guān)斷電壓后，IGBT的柵極電容開始被放電，柵極電壓下降至米勒平臺，此過程中可使用一個阻值較小的驅(qū)動電阻，加快IGBT的關(guān)斷速率。②IGBT的柵極電壓被箝位在米勒平臺，VCE開始上升，此時可采用較大的電阻來降低集電極電壓的上升速率dVCE/dt，從而減小關(guān)斷過壓尖峰。③集電極電壓已達(dá)到IGBT的母線電壓值，集電極電流IC開始下降，此時電流的下降會在功率回路的寄生電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓疊加在母線電壓上會使IGBT功率極所加的電壓變大，過快的電流下降速率會造成IGBT的過壓擊穿。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用三菱公司4500V/900A型IGBT模塊進(jìn)行驗(yàn)證，母線電壓為2800V，負(fù)載為310μH。分別通過單一阻值的驅(qū)動器和數(shù)字可編程IGBT驅(qū)動器對該IGBT進(jìn)行雙脈沖測試。

單一阻值的驅(qū)動器驅(qū)動時，其開通時間ton=6μs，關(guān)斷時間toff=3μs，電流尖峰IRRM=1600A，電壓尖峰VCEM=3660V。數(shù)字可編程IGBT驅(qū)動器驅(qū)動時，其開通時間ton=3μs，關(guān)斷時間toff=2.5μs，電流尖峰IRRM=1600A，電壓尖峰VCEM=3260V。分析對比可得該驅(qū)動能優(yōu)化IGBT開關(guān)過程，驗(yàn)證了方案的可行性。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于可編程數(shù)字芯片的大功率IGBT驅(qū)動電路設(shè)計方案，該方案結(jié)合IGBT的開關(guān)過程中驅(qū)動電阻對其開關(guān)特性的影響，動態(tài)的調(diào)整其門極驅(qū)動電阻，優(yōu)化IGBT的開關(guān)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在保證dIC/dt和dVCE/dt出于安全范圍的情況下，縮短了IGBT的開關(guān)時間，減少其開關(guān)損耗。

參考文獻(xiàn)

[1]劉海紅，楊媛，劉海鋒.大功率IGBT驅(qū)動保護(hù)方法研究進(jìn)展綜述[J].電子設(shè)計工程，2015，v.23；No.30907：104-106+110.

[2]袁立強(qiáng)，趙爭鳴，宋高升，等.電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.